JPH09229628A - Position sensing method and device - Google Patents

Position sensing method and device

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Publication number
JPH09229628A
JPH09229628A JP8058487A JP5848796A JPH09229628A JP H09229628 A JPH09229628 A JP H09229628A JP 8058487 A JP8058487 A JP 8058487A JP 5848796 A JP5848796 A JP 5848796A JP H09229628 A JPH09229628 A JP H09229628A
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JP
Japan
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light
wavelength
mark
light beam
grating mark
Prior art date
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Pending
Application number
JP8058487A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naomasa Shiraishi
直正 白石
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
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Priority to US08/797,632 priority patent/US5801390A/en
Priority to KR1019970003914A priority patent/KR970063617A/en
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To establish precise position sensing by exerting maximum averaging effect when a lattice marking is illuminated by a light flux containing a plurality of wavelength components. SOLUTION: The position ΔX'n of each lattice marking is wavelength by wavelength sensed by a circuit SAn and circuit CAn (n=1, 2, 3) from the photo- quantity signals IAn, IBn (n=1, 2, 3) obtained by the interferential alignment method based upon the ON'th order sensing method. The circuit SAn calculates the step equivalent amount δn wavelength by wavelength as the surplus for each half-wave of the incident beam around the mark surface at a step on the basis of the design data of the lattice marking and a change associate with the relative scan of the photo-quantity signals IAn, IBn. A circuit SS takes weighted average of the positions of the lattice marking sensed with different wavelengths in such a way that one whose step equivalent amount is nearer one quarter of each wavelength around the mark surface of the incident beam is given a greater weight.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、位置検出方法及び
その装置に係り、さらに詳しくは、例えば半導体素子等
を製造する際にフォトリソグラフィ工程で使用される露
光装置におけるマスクパターンと感光性基板の相対的な
位置合わせの際のマーク位置の検出に用いて好適な位置
検出方法及びその装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a position detecting method and an apparatus therefor, and more particularly, to a mask pattern and a photosensitive substrate in an exposure apparatus used in a photolithography process for manufacturing a semiconductor device or the like. The present invention relates to a position detection method and device suitable for use in detecting a mark position during relative alignment.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば半導体素子、液晶表示素子又は薄
膜磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工
程では、転写用のパターンが形成されたフォトマスク又
はレチクル(以下、まとめて「レチクル」という)の像
を、投影光学系を介した投影露光法あるいはプロキシミ
ティ露光法により、フォトレジストが塗布されたウエハ
(又はガラスプレート等の感光基板)上に転写する露光
装置が使用されている。
2. Description of the Related Art For example, in a photolithography process for manufacturing a semiconductor device, a liquid crystal display device, a thin film magnetic head, or the like, a photomask or reticle (hereinafter, collectively referred to as "reticle") on which a transfer pattern is formed is used. There is used an exposure apparatus that transfers an image onto a wafer (or a photosensitive substrate such as a glass plate) coated with a photoresist by a projection exposure method or a proximity exposure method via a projection optical system.

【0003】このような露光装置においては、露光に先
立ってレチクルとウエハとの位置合わせ(アライメン
ト)を高精度に行う必要がある。このアライメントを行
うために、ウエハ上には以前の工程で形成(露光転写)
された位置検出マーク(アライメントマ−ク)が形成さ
れており、このアライメントマ−クの位置を検出するこ
とで、ウエハ(ウエハ上の回路パターン)の正確な位置
を検出することができる。
In such an exposure apparatus, it is necessary to perform alignment of the reticle and the wafer with high accuracy prior to exposure. In order to perform this alignment, it was formed on the wafer in the previous process (exposure transfer)
The formed position detection mark (alignment mark) is formed. By detecting the position of this alignment mark, the accurate position of the wafer (circuit pattern on the wafer) can be detected.

【0004】近年、ウエハ(又はレチクル)上のアライ
メントマークを凹凸から成る1次元、又は2次元の格子
状にし、その格子マーク上に周期方向に対称的に傾斜し
た2つのコヒーレントビームを投射し、格子マークから
同一方向に発生する2つの回折光成分を干渉させて格子
マークの周期方向の位置や位置ずれを検出する方法(以
下、「干渉式アライメント法」と称する)が、例えば
(A)特開昭61−208220号公報、(B)特開昭
61−215905号公報等で提案された。このうち公
報(A)は2つの対称的なコヒーレントビームの周波数
を同一にしたホモダイン方式を開示し、公報(B)は2
つの対称的なコヒーレントビームの間に一定の周波数差
を持たせたヘテロダイン方式を開示している。
In recent years, an alignment mark on a wafer (or a reticle) is formed into a one-dimensional or two-dimensional lattice shape having irregularities, and two coherent beams symmetrically inclined in the periodic direction are projected on the lattice mark. A method of interfering two diffracted light components generated in the same direction from the grating mark to detect the position or positional deviation of the grating mark in the periodic direction (hereinafter referred to as “interferential alignment method”) is, for example, (A) It has been proposed in Japanese Laid-Open Patent Application No. 61-208220, (B) Japanese Laid-Open Patent Application No. 61-215905, and the like. Of these, publication (A) discloses a homodyne system in which the frequencies of two symmetrical coherent beams are the same, and publication (B) describes
A heterodyne system in which a constant frequency difference is provided between two symmetrical coherent beams is disclosed.

【0005】さらにヘテロダイン方式の位置検出装置を
縮小投影露光装置内のTTR(スルーザレチクル)アラ
イメント系やTTL(スルーザレンズ)アライメント系
に適用したものが、(C)特開平2−227602号公
報、(D)特開平3−2504号公報等で提案されてい
る。これら公報(C)、(D)に開示されたヘテロダイ
ン方式では、2つの音響光学変調素子(AOM)にHe
−Neレーザビームを同時に入射させ、各AOMを例え
ば25KHz程度の周波数差を持つ高周波駆動信号(一
方が80MHz、他方が79.975MHz)で駆動
し、各AOMから射出される回折ビームの間に25KH
zの周波数差を与えている。そしてそれら2つの回折ビ
ームを、ウエハ上、又はレチクル上の格子マークに所定
の交差角で照射するための一対の送光ビームとしてい
る。
Further, a heterodyne type position detecting device is applied to a TTR (through-the-reticle) alignment system and a TTL (through-the-lens) alignment system in a reduction projection exposure apparatus, as disclosed in (C) JP-A-2-227602. , (D) JP-A-3-2504. In the heterodyne method disclosed in these publications (C) and (D), the two acousto-optic modulators (AOMs) are provided with He.
-Ne laser beams are made incident at the same time, each AOM is driven by a high frequency drive signal (80 MHz for one side and 79.975 MHz for the other) having a frequency difference of, for example, 25 KHz, and 25 KH between the diffracted beams emitted from each AOM.
The frequency difference of z is given. The two diffracted beams are used as a pair of light-transmitting beams for irradiating the grating mark on the wafer or the reticle with a predetermined crossing angle.

【0006】また、ヘテロダイン方式では、2つの送光
ビーム間の周波数差(25KHz)を基準交流信号と
し、格子マークから発生した2つの回折光成分の干渉光
(ビート光)を光電検出した信号と基準交流信号との位
相差を計測し、それを格子マークの周期方向に関する基
準点からの位置ずれ量として検出している。
In the heterodyne system, the frequency difference (25 KHz) between the two transmitted beams is used as a reference AC signal, and the interference light (beat light) of the two diffracted light components generated from the grating mark is photoelectrically detected. The phase difference from the reference AC signal is measured and detected as the amount of positional deviation from the reference point in the periodic direction of the lattice mark.

【0007】干渉式アライメント法を実現する光学系と
しては、格子マークへのコヒーレントビーム(レーザビ
ーム)の入射方法から、大きく3つに分けられる。
The optical system for realizing the interferential alignment method can be roughly divided into three types depending on the method of injecting the coherent beam (laser beam) to the grating mark.

【0008】1つは、格子マークの周期(=P)方向に
対して対称的な±N次方向から、2本のレーザビームを
入射し、格子マーク上に振幅の周期がP/Nの干渉縞を
形成させ、これより垂直上方に反射・回折する回折光
(両入射光の±N次回折光の合成光束:Nは自然数)を
受光し、その光量変化に基づいて格子マークの位置を検
出するタイプ(以下、「±N次検出法」と略称する)で
ある。
First, two laser beams are incident from ± N-order directions which are symmetrical with respect to the period (= P) of the grating mark, and the interference of the period of amplitude P / N is caused on the grating mark. A diffracted light that forms a fringe and is reflected / diffracted vertically upward from this (combined light flux of ± N-order diffracted light of both incident lights: N is a natural number) is received, and the position of the grating mark is detected based on the change in the light amount. Type (hereinafter, abbreviated as “± Nth order detection method”).

【0009】2つめは、2本のビームを格子マークの周
期に対する±N/2次方向から対称的に入射し、格子マ
ーク上に振幅の周期が2P/Nの干渉縞を形成させ、一
方の(第1の)入射光の0次回折光(正反射光)と他方
の(第2の)入射光のN次回折光の合成光束と、第2の
入射光の0次回折光と第1の入射光のN次回折光の合成
光束とを独立に受光し、両光束の光量変化の各位相より
得られる、2つの検出位置の平均値を、格子マークの位
置とするタイプ(以下、「0N次検出法」と略称する)
である。
Secondly, the two beams are made incident symmetrically from the ± N / 2 quadratic direction with respect to the period of the grating mark to form an interference fringe having an amplitude period of 2P / N on the grating mark, and one of the two beams is formed. A combined light flux of the 0th order diffracted light (regular reflection light) of the (first) incident light and the Nth order diffracted light of the other (second) incident light, the 0th order diffracted light of the second incident light, and the first incident light Of the N-th order diffracted light is received independently, and the average value of the two detection positions obtained from each phase of the light amount change of both light beams is used as the position of the lattice mark (hereinafter, referred to as "0N-order detection method"). "" Is abbreviated)
It is.

【0010】3つめは、格子マークに対して、ビームを
1本のみ入射し、反射・回折する2つの±N次回折光を
基準格子上に結像させ、基準格子からの透過光の光量変
化より格子マークの位置を検出するタイプ(以下、「基
準格子法」と略称する)である。
The third is that only one beam is incident on the grating mark and two ± N-order diffracted lights that are reflected and diffracted are imaged on the reference grating, and from the change in the amount of transmitted light from the reference grating, This is a type for detecting the position of a lattice mark (hereinafter, abbreviated as "reference lattice method").

【0011】なお、これら3つの方式による格子マーク
検出位置には、原理的に全く差は生じない。ただし、±
N次検出法、0N次検出法は、ヘテロダイン、ホモダイ
ンのいずれの方式へも適応可能だが、基準格子法は入射
光束が1本であり、必然的にホモダイン方式に限定され
る。
In principle, there is no difference in the lattice mark detection positions by these three methods. However, ±
The Nth-order detection method and the 0Nth-order detection method can be applied to any of the heterodyne method and the homodyne method, but the reference grating method has only one incident light beam and is necessarily limited to the homodyne method.

【0012】以上の干渉式アライメント法に於ては、一
般に検出光としてレーザ等の単色光が使用されている
が、この単色性、即ちコヒーレンス長が長いという性質
により、格子マーク(位置検出マーク)の段差(深さ)
に関する非対称性や、レジスト厚の変動によって、大き
な位置検出誤差が生じるという問題が生じていた。
In the above-mentioned interference type alignment method, monochromatic light such as a laser is generally used as the detection light. Due to the monochromaticity, that is, the coherence length is long, a grating mark (position detection mark) is used. Step (depth)
There is a problem in that a large position detection error occurs due to the asymmetry with respect to and the variation in the resist thickness.

【0013】そこで、これらの影響を低減してより正確
な位置検出を可能とした干渉式アライメント法が(E)
特開平6−82215号公報によって提案された。その
公報(E)には、波長が異なる複数のビーム、又は白色
ビームを用い、このビームを固定の回折格子に照射して
得られる2つの回折ビームを1段目のAOMに入射し、
このAOMで回折された0次ビーム、+1次回折ビー
ム、−1次回折ビームを2段目のAOM内で交差するよ
うにリレーすることによって、例えば第1の波長による
一対の送光ビームと第2の波長による一対の送光ビーム
とを作り、それら2組の送光ビームを同時にウエハ上の
格子マークに投射する手法が開示されている。
Therefore, an interference type alignment method that reduces these influences and enables more accurate position detection is provided (E).
It was proposed by JP-A-6-82215. In the publication (E), a plurality of beams having different wavelengths or a white beam are used, and two diffracted beams obtained by irradiating the beams on a fixed diffraction grating are incident on the first-stage AOM.
By relaying the 0th-order beam, the + 1st-order diffracted beam, and the -1st-order diffracted beam diffracted by this AOM so as to cross each other in the AOM of the second stage, for example, a pair of light-transmitting beams having the first wavelength and a first beam A method is disclosed in which a pair of light-transmitting beams having two wavelengths are formed and the two sets of light-transmitting beams are simultaneously projected onto a lattice mark on a wafer.

【0014】この際、格子マークから発生して光電検出
される干渉ビート光には第1の波長成分と第2の波長成
分とが含まれるが、それらは光電素子の受光面上で光量
として加算された形で光電検出される。このため、レジ
スト層の薄膜干渉の影響またはマーク断面形状の非対称
性の影響による各波長成分毎の干渉ビート光の相互位相
差が強度的に平均化され、より正確な位置検出が可能に
なると考えられたものである。
At this time, the interference beat light generated from the lattice mark and photoelectrically detected includes a first wavelength component and a second wavelength component, which are added as a light quantity on the light receiving surface of the photoelectric element. Photoelectrically detected in the selected form. Therefore, the mutual phase difference of the interference beat light of each wavelength component due to the influence of thin film interference of the resist layer or the influence of the asymmetry of the mark cross-sectional shape is intensity averaged, and more accurate position detection is possible. It has been done.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術のように、位置検出に使用する照明光束を複数の
波長、又は所定の波長帯域幅を有するビームにし、格子
マークから発生する複数の波長成分を含む干渉光を同一
の光電素子で同時に受光する場合、照明光束の中に強度
の高い波長成分があると、格子マークからの回折光もそ
の波長成分のところで強められ、平均化効果を得る上で
問題となることがある。あるいは、単に回折光を各波長
毎に別々に受光し別々に位置検出し、その平均を検出位
置とするにしても、各波長の各検出位置の中での確から
しさの違いは分からないため、単純平均では検出誤差の
大きな波長の結果によって、かえって検出精度を悪化さ
せてしまうおそれがあるという不都合があった。
However, as in the above-mentioned prior art, the illumination light flux used for position detection is made into a beam having a plurality of wavelengths or a predetermined wavelength bandwidth, and a plurality of wavelength components generated from the grating mark are generated. When the same photoelectric element simultaneously receives the interference light including the light, if the illumination light flux contains a high-intensity wavelength component, the diffracted light from the grating mark will also be strengthened at that wavelength component, resulting in an averaging effect. May cause problems. Alternatively, even if the diffracted light is received separately for each wavelength and the position is detected separately, and the average thereof is used as the detection position, the difference in the accuracy in each detection position of each wavelength is not known. The simple average has a disadvantage that the detection accuracy may be deteriorated due to the result of the wavelength having a large detection error.

【0016】ところで、一般にウエハ等の表面に形成さ
れる位置合わせ、位置計測用のマーク(アライメントマ
ーク)は、その表面に微少な段差を持って作られるが、
半導体加工工程上のエッチングやスパッタ等のウエハプ
ロセス、あるいはフォトレジスト層の塗布ムラによっ
て、多少の非対称性を有している。その非対称性はマー
ク位置検出時の精度低下を招く。
By the way, generally, a mark (alignment mark) for alignment and position measurement formed on the surface of a wafer or the like is formed with a minute step on the surface.
There is some asymmetry due to a wafer process such as etching or sputtering in a semiconductor processing process or uneven coating of a photoresist layer. The asymmetry causes a decrease in accuracy when detecting the mark position.

【0017】特に、格子マークから発生した2つの回折
光の相互干渉光を光電検出し、その光電信号を利用する
干渉式アライメント法においては、格子マークの非対称
性はマーク自体の振幅反射率の非対称性となって位置検
出精度の劣化に作用する。すなわち、格子マークを構成
するラインの溝底部の深さ(段差)等が格子周期方向に
差を持ったり、レジスト層の厚みに部分的な差があった
場合、マーク自体の振幅反射率の絶対値と位相とは、溝
底部の深さやレジスト厚の変化に応じて非対称になる。
この結果、格子マークから発生する回折光も例えば0次
光に対して右方向に発生する正の次数と左方向に発生す
る負の次数とで強度や位相が異なったものになってしま
う。このうち強度の差は位置検出精度を殆ど低下させな
いが、位相の変化は位置検出精度に大きな影響を与え
る。
Particularly, in the interferometric alignment method in which the mutual interference light of two diffracted lights generated from the grating mark is photoelectrically detected and the photoelectric signal is used, the asymmetry of the grating mark is caused by the asymmetry of the amplitude reflectance of the mark itself. And the position detection accuracy is deteriorated. That is, when the depth (step) of the groove bottom of the line forming the grating mark has a difference in the grating period direction or there is a partial difference in the thickness of the resist layer, the absolute amplitude reflectance of the mark itself is The value and the phase become asymmetric depending on the depth of the groove bottom and the change of the resist thickness.
As a result, the diffracted light generated from the grating mark also has different intensity and phase between the positive order generated in the right direction and the negative order generated in the left direction with respect to the 0th order light, for example. Among them, the difference in intensity hardly deteriorates the position detection accuracy, but the change in phase has a great influence on the position detection accuracy.

【0018】また、格子マークの振幅反射率や回折効率
は、マークの段差やレジスト厚によっても大きく変動す
る。これは、マークの段差によって、マーク上面で反射
する光と、マーク下面で反射する光との位相差が変化し
たり、レジスト厚の変化によって、レジストによる多重
干渉効果が変動するためである。特に、問題なのは、検
出光の波長が変化するとこれらの影響も大きく変動する
点である。
Further, the amplitude reflectance and diffraction efficiency of the grating mark greatly vary depending on the step of the mark and the resist thickness. This is because the step difference of the mark changes the phase difference between the light reflected on the upper surface of the mark and the light reflected on the lower surface of the mark, and the multiple interference effect of the resist changes due to the change of the resist thickness. In particular, the problem is that the influence of these changes greatly when the wavelength of the detection light changes.

【0019】かかる点においても、上記従来技術の複数
の波長成分を含む干渉光を同一の光電素子で同時に受光
する手法や、単に回折光を各波長毎に別々に受光し別々
に位置検出し、その単純平均位置を検出位置とする手法
では、どの程度適切な検出波長を用いているかが考慮さ
れていないため、必ずしも正確な位置検出ができないと
いう不都合を有している。
Also in this point, a method of simultaneously receiving the interference light containing a plurality of wavelength components by the same photoelectric element in the prior art, or simply receiving the diffracted light separately for each wavelength and detecting the positions separately, The method of using the simple average position as the detection position has a disadvantage that accurate position detection cannot always be performed because no consideration is given to how appropriate the detection wavelength is used.

【0020】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、その目的は、特に複数の波長成分を含む照明光束で
格子マークを照明することによる平均化効果を最大限に
発揮する、高精度な位置検出方法及びその装置を提供す
ることにある。
The present invention has been made under such circumstances, and an object thereof is to achieve high averaging effect by maximizing the averaging effect by illuminating a grating mark with an illumination light flux containing a plurality of wavelength components. Another object of the present invention is to provide a new position detection method and device.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】ところで、上述したマー
ク段差やレジスト厚の変動による格子マークの振幅反射
率や回折効率の変動等や、位置検出精度は、種々のマー
ク条件のもとでマーク自体の振幅反射率を想定すること
により、シミュレーションすることができる。
By the way, the position detection accuracy, such as the variation of the amplitude reflectance and diffraction efficiency of the grating mark due to the variation of the mark step and the resist thickness as described above, the position detection accuracy, is the mark itself under various mark conditions. A simulation can be performed by assuming the amplitude reflectance of

【0022】ここで、このようなシミュレーション結果
の一例について図9に基づいて説明する。このシミュレ
ーション結果は、レジスト層で被覆されたウエハ上の格
子マークに対称的な2方向から一定の周波数差をもつコ
ヒーレントな送光ビームを照射する場合を想定し、格子
マークから垂直に発生した±1次回折光の相互干渉光、
すなわち干渉ビート光の状態(振幅、位相等)を観察
(計算)することで得られたものである。
Here, an example of such a simulation result will be described with reference to FIG. This simulation result assumes that a grating mark on a wafer covered with a resist layer is irradiated with a coherent light-transmitting beam having a constant frequency difference from two symmetrical directions, and ± is generated vertically from the grating mark. Mutual interference light of first-order diffracted light,
That is, it is obtained by observing (calculating) the state (amplitude, phase, etc.) of the interference beat light.

【0023】なお、上記のシミュレーションで想定した
ウエハ上の格子マークの形状は、計測方向に、凸部、凹
部の各幅が4μm、周期P=8μmで並ぶものである。
格子マークの断面を図10(1)に、その1周期分の拡
大図を図10(2)に示すが、マークの段差h、レジス
ト厚dをパラメータとし、マークの凹部には傾きt=0.
1%のテーパーがあるものとした。また、マークの凹部
ではレジスト表面が、0.3・hだけへこむものとし、
レジスト表面の形状は正弦関数(周期P)とし、ウエ
ハ、レジストの屈折率は、それぞれ 3.5、1.66とした。
なお、図10(1)ではスペースの都合で格子マークの
本数を5本としたが、実際の格子マークはそれより本数
が多いものが一般的である。
The shape of the lattice marks on the wafer assumed in the above simulation is such that the widths of the convex portions and the concave portions are 4 μm and the period P = 8 μm is aligned in the measurement direction.
The cross section of the lattice mark is shown in FIG. 10 (1), and an enlarged view of one period thereof is shown in FIG. 10 (2). The mark step h and the resist thickness d are used as parameters, and the concave portion of the mark has an inclination t = 0. .
It is assumed that there is a taper of 1%. Also, in the concave portion of the mark, the resist surface is dented by 0.3 · h,
The shape of the resist surface was a sine function (period P), and the refractive indexes of the wafer and the resist were 3.5 and 1.66, respectively.
In FIG. 10A, the number of lattice marks is set to 5 for the sake of space, but the actual number of lattice marks is generally larger than that.

【0024】また、想定した検出光学系は、検出用レー
ザビームの波長が633nm (He-Neレーザ)であり、マーク
の周期Pに対する±1次の方向から対称的に2本のビー
ムを入射し、垂直上方に反射・回折する光束(両入射光
の±1次回折光の合成光束)を受光し、位置検出するも
の(前述の「±1次検出法」(「±N次検出法」のN=
1))とした。ただし、検出光学系として、2本のビー
ムをマークの周期Pに対する±0.5次の方向から対称
的に入射する「01次検出法」や、±1次回折光を使用
する「基準格子法」であっても、前述の如く結果は全く
同じである。
In the assumed detection optical system, the wavelength of the detection laser beam is 633 nm (He-Ne laser), and the two beams are symmetrically incident from the ± first order direction with respect to the mark period P. , Which detects the position by receiving a light beam that is reflected / diffracted vertically upward (combined light beam of ± 1st-order diffracted light of both incident lights) (the above-mentioned “± 1st-order detection method” (“± Nth-order detection method N”) =
1)). However, as a detection optical system, a “01th-order detection method” in which two beams are symmetrically incident from the ± 0.5th-order direction with respect to the mark period P, or a “reference grating method” using ± first-order diffracted light is used. However, the result is exactly the same as described above.

【0025】図9(1)、(2)において、横軸はレジ
スト厚d[μm]を示し、縦軸は位置検出誤差[nm]
を示す。図9(1)には、マーク段差hが、50、100 、
150、200nm の場合の、図9(2)には、マーク段差h
が、250 、300 、350 、400nmの場合のシミュレーショ
ン結果がそれぞれ示されている。
In FIGS. 9A and 9B, the horizontal axis represents the resist thickness d [μm] and the vertical axis represents the position detection error [nm].
Is shown. In FIG. 9A, the mark step h is 50, 100,
In case of 150 and 200 nm, the mark step h is shown in Fig. 9 (2).
, The simulation results for 250, 300, 350, and 400 nm are shown, respectively.

【0026】検出誤差は、レジスト厚の変化によっても
変動するが、マーク段差hが100 及び300nm の場合に
は、変動も少なくその絶対精度も良好であることがわか
る。
Although the detection error varies depending on the change in the resist thickness, it can be seen that when the mark step h is 100 and 300 nm, the variation is small and the absolute accuracy is good.

【0027】検出光の波長が 633nm、レジストの屈折率
が1.66であるから、マーク表面近傍(レジスト中)の検
出光の波長は381nm であり、従って上記のマーク段差10
0 及び300nm は、それぞれその1/4及び3/4にほぼ
等しい。また、図示は省略したが、検出光のレジスト中
波長の5/4及び7/4‥‥の段差、即ち(2m+1)
/4倍(mは0以上の整数)の段差のマークでの検出誤
差も、極めて小さくなることが、シミュレーションの結
果、判明した。
Since the wavelength of the detection light is 633 nm and the refractive index of the resist is 1.66, the wavelength of the detection light near the mark surface (in the resist) is 381 nm.
0 and 300 nm are approximately equal to 1/4 and 3/4, respectively. Although not shown, the step difference of the wavelength of the detection light in the resist is 5/4 and 7/4 ..., That is, (2m + 1)
As a result of simulation, it was found from the simulation result that the detection error at the mark having a step difference of / 4 times (m is an integer of 0 or more) is extremely small.

【0028】また、このシミュレーション結果を逆にと
らえると、波長(レジスト中波長)が、マーク段差の4
/(2m+1)倍の検出光束を使用すれば、検出誤差を
極めて小さくできることになる。
If this simulation result is contradictory, the wavelength (wavelength in resist) is 4 of the mark step.
If the detected light flux of / (2m + 1) times is used, the detection error can be made extremely small.

【0029】しかしながら、従来においては干渉式アラ
イメント法に使用するような格子マークの段差量を正確
かつ容易に測定する方法は存在せず、従って、位置検出
すべき格子マークの段差が、上記の検出光波長の(2m
+1)/4倍という条件に適合するか否かを容易に判定
する手段はなかった。
However, there is no conventional method for accurately and easily measuring the level difference of the grating mark used in the interferometric alignment method, and therefore, the level difference of the grating mark to be detected is detected as described above. Of light wavelength (2m
There was no means for easily determining whether or not the condition of +1) / 4 times was met.

【0030】ところで、上記のシミュレーション結果を
更に検討すると、検出精度は、段差が検出光のレジスト
中波長の(2m+1)/4からいくらずれているか、言
替えれば、段差そのものの代わりに段差をレジスト中波
長の2/4、すなわち1/2で割った(除した)剰余に
よって大きく影響されるものと推定される。
Further examination of the above simulation results shows that the detection accuracy is such that the level difference deviates from (2m + 1) / 4 of the wavelength in the resist of the detection light, that is, the level difference is detected instead of the level difference itself. It is estimated that it is greatly affected by the 2/4 of the medium wavelength, that is, the remainder divided (divided) by 1/2.

【0031】本発明は、単一波長の照明光による干渉式
アライメント法において、マークの段差が、照明光の波
長の(正確には照明光のレジスト中の波長の)、(2m
+1)/4倍(mは0以上の整数)であると、位置検出
誤差がほとんど生じないという上記のようなシミュレー
ション上の結果に基づいて着想されたものであり、本発
明は、以下のような方法及び構成を採用する。
According to the present invention, in the interferential alignment method using a single wavelength of the illumination light, the step of the mark is the wavelength of the illumination light (more precisely, the wavelength in the resist of the illumination light), (2 m
The present invention is based on the above-described simulation result that the position detection error hardly occurs when it is +1) / 4 times (m is an integer of 0 or more), and the present invention is as follows. Adopt a different method and configuration.

【0032】請求項1に記載の発明は、微細パターンの
形成された基板上に形成された、特定の方向に周期性
(周期=P)を持って凹部と凸部を繰り返す格子マーク
の前記周期方向の位置を検出する位置検出方法であっ
て、前記格子マーク上に、可干渉な光ビームの対を波長
の異なる複数組入射し、振幅分布の周期が2P/N(N
は自然数)でその周期方向が格子マークの周期方向と等
しい干渉縞を形成するとともに、前記干渉縞と前記格子
マークとを前記周期方向に相対走査する第1工程と;前
記格子マークによる前記入射光ビームの反射・回折光の
うち、第1の光ビームの正反射光と第2の光ビームのN
次回折光との合成光束である第1の合成光束と、前記第
2の光ビームの正反射光と前記第1の光ビームのN次回
折光との合成光束である第2の合成光束とを、それぞ
れ、かつ、前記複数の波長毎に別々に受光する第2工程
と;前記各波長毎の前記第1、第2の合成光束の光量信
号の前記相対走査に伴う変化に基づいて各波長毎に前記
格子マークの位置を検出する第3工程と;前記格子マー
クの段差相当量を、前記各波長毎の前記第1、第2の合
成光束の光量信号の前記相対走査に伴う変化及び前記格
子マークの設計データに基づいて、前記格子マークの段
差を前記格子マーク表面近傍の媒質中での前記入射光ビ
ームの各波長の半分で除した剰余として、各波長毎に算
出する第4工程と;前記各波長毎に検出した前記格子マ
ークの位置を、前記各波長毎に算出した前記段差相当量
が、前記入射光ビームの前記格子マーク表面近傍での各
波長の1/4相当量に近いほど大きな重みを付けて加重
平均し、その加重平均値を格子マークの最終的な検出位
置とする第5工程とを含む。
According to a first aspect of the present invention, the period of the lattice mark formed on the substrate on which the fine pattern is formed, has a periodicity (period = P) in a specific direction and repeats concave and convex portions. A position detecting method for detecting a position in a direction, wherein a plurality of pairs of coherent light beams having different wavelengths are incident on the grating mark, and a period of amplitude distribution is 2P / N (N.
Is a natural number) and the periodic direction of which is the same as the periodic direction of the grating mark, and the first step of relatively scanning the interference fringe and the lattice mark in the periodic direction; Of the reflected / diffracted light of the beam, the specularly reflected light of the first light beam and the N of the second light beam
A first combined light beam that is a combined light beam with the second-order diffracted light, and a second combined light beam that is a combined light beam of the specularly reflected light of the second light beam and the Nth-order diffracted light of the first light beam, A second step of separately receiving light for each of the plurality of wavelengths; and for each wavelength based on changes in the light amount signals of the first and second combined light fluxes for each wavelength due to the relative scanning A third step of detecting the position of the grating mark; a step equivalent amount of the grating mark, a change in the light amount signals of the first and second combined light fluxes for each wavelength due to the relative scanning, and the grating mark A fourth step of calculating, for each wavelength, a step difference of the grating mark divided by half of each wavelength of the incident light beam in the medium near the surface of the grating mark, based on the design data of The position of the grating mark detected for each wavelength is The closer the step-equivalent amount calculated for each wavelength is to the quarter-equivalent amount of each wavelength of the incident light beam near the surface of the grating mark, the more weighted the weighted average is, and the weighted average value is calculated. And a fifth step of setting the final detection position of

【0033】これによれば、第1ないし第3工程で、0
N次検出法による干渉式アライメント法と同様の検出が
行なわれ、得られる各波長毎の2つの光量信号(前記第
1、第2の合成光束の光量信号)より、従来と同様に格
子マークの位置が(但し、波長毎に)検出される。
According to this, in the first to third steps, 0
The same detection as in the interferometric alignment method by the Nth-order detection method is performed, and from the obtained two light amount signals for each wavelength (the light amount signals of the first and second combined luminous fluxes), the grating mark of The position is detected (but for each wavelength).

【0034】また、第4工程において、格子マークの段
差相当量が、各波長毎の前記第1、第2の合成光束の光
量信号の相対走査に伴う変化及び格子マークの設計デー
タに基づいて、格子マークの段差を格子マーク表面近傍
の媒質中での入射光ビームの各波長の半分で除した剰余
として、各波長毎に算出される。これは、上記シミュレ
ーションの結果、明らかになった「検出精度に大きく影
響を与える、段差をレジスト中波長の1/2で除した剰
余」を段差相当量として各波長毎に検出するものであ
る。なお、この段差相当量としては、剰余としての段
差、あるいはこれに相当する光の位相量のいずれの形態
で検出してもよい。これにより、位置検出すべき格子マ
ークの段差が、各波長毎の検出光のレジスト中波長の
(2m+1)/4倍という条件に適合するか否か、ある
いは、検出光のレジスト中波長が位置検出すべき格子マ
ークの段差の4/(2m+1)倍という条件に適合する
か否かを、容易に判定することが可能となる。
Further, in the fourth step, the step-corresponding amount of the grating mark is changed based on the change due to the relative scanning of the light amount signals of the first and second combined light beams for each wavelength, and the design data of the grating mark. It is calculated for each wavelength as a remainder obtained by dividing the step of the grating mark by half of each wavelength of the incident light beam in the medium near the surface of the grating mark. This is to detect each wavelength as "a step difference equivalent to a remainder obtained by dividing the step difference by 1/2 of the wavelength in the resist," which becomes clear as a result of the above simulation. The step equivalent amount may be detected in any form of a step as a surplus or a phase amount of light corresponding to this. As a result, whether or not the level difference of the grating mark to be position-detected meets the condition of (2m + 1) / 4 times the in-resist wavelength of the detection light for each wavelength, or the in-resist wavelength of the detection light is detected It is possible to easily determine whether or not the condition of 4 / (2m + 1) times the level difference of the lattice mark to be met is met.

【0035】そして、第5工程において、各波長毎に検
出した格子マークの位置を、各波長毎に算出した段差相
当量が、入射光ビームの格子マーク表面近傍での各波長
の1/4相当量に近いほど大きな重みを付けて加重平均
し、その加重平均値を格子マークの最終的な検出位置と
する。すなわち、算出された段差が波長(レジスト中)
の1/4倍に近い波長での検出位置には大きな重みを、
1/4倍から離れた波長での検出位置には小さな重みを
つけて検出位置を加重平均した位置を格子マークの最終
的な検出位置とするのである。ここで、各波長の1/4
とは、上記の(2m+1)/4のm=0の場合に相当す
るが、段差相当量は上記の如く半波長に対する剰余なの
で、m>0の場合は考慮する必要がないので、段差相当
量が入射光ビームの格子マーク表面近傍での各波長の1
/4相当量に近いとは、段差相当量が入射光ビームの格
子マーク表面近傍での各波長の(2m+1)/4倍に近
いということに他ならない。従って、第5工程における
最終的な格子マークの検出位置は、段差の4/(2m+
1)倍に最も近い波長の検出光での検出結果に重きをお
いた加重平均値であり、非対称な格子マークに対して
も、波長毎のマーク検出位置を単純平均する場合に比べ
れば、極めて高精度な位置検出を行なうことが可能とな
り、平均化効果を最大限に発揮することができる。
Then, in the fifth step, the step equivalent amount calculated for each wavelength at the position of the grating mark detected for each wavelength is equivalent to ¼ of each wavelength in the vicinity of the grating mark surface of the incident light beam. The closer to the amount, the greater the weight, and the weighted average is calculated, and the weighted average value is used as the final detection position of the lattice mark. That is, the calculated step is the wavelength (in the resist)
A large weight on the detection position at a wavelength close to 1/4 times
A small weight is given to the detection positions at wavelengths apart from 1/4 times, and the position where the detection positions are weighted and averaged is set as the final detection position of the lattice mark. Where 1/4 of each wavelength
Is equivalent to the case of m = 0 of (2m + 1) / 4, but since the step equivalent is a surplus for a half wavelength as described above, there is no need to consider when m> 0. Is 1 of each wavelength near the grating mark surface of the incident light beam
To be close to / 4 equivalent means that the step equivalent is close to (2m + 1) / 4 times each wavelength in the vicinity of the grating mark surface of the incident light beam. Therefore, the final detection position of the lattice mark in the fifth step is 4 / (2m +
1) It is a weighted average value that emphasizes the detection result with the detection light of the wavelength that is the closest to double, and it is much higher than the case of simply averaging the mark detection positions for each wavelength even for an asymmetric grating mark. It is possible to perform highly accurate position detection and maximize the averaging effect.

【0036】この場合において、第1工程において、格
子マーク上に、波長の異なる複数組の可干渉な光ビーム
の対を波長毎に時分割的に入射し、振幅分布の周期が2
P/N(Nは自然数)でその周期方向が格子マークの周
期方向と等しい干渉縞を各波長毎に形成するとともに、
各波長毎の干渉縞と格子マークとを周期方向にそれぞれ
相対走査しても良い。このように波長の異なる複数組の
可干渉な光ビームの対を波長毎に時分割的に入射する場
合には、反射・回折光の受光手段や、信号処理系の構成
が簡略化される。
In this case, in the first step, a plurality of pairs of coherent light beams having different wavelengths are time-divisionally incident on the grating mark for each wavelength, and the period of the amplitude distribution is 2.
Interference fringes of P / N (N is a natural number) whose periodic direction is equal to the periodic direction of the grating mark are formed for each wavelength, and
The interference fringes for each wavelength and the grating mark may be relatively scanned in the periodic direction. When a plurality of pairs of coherent light beams having different wavelengths are incident on each wavelength in a time-divisional manner, the light receiving means for reflected / diffracted light and the configuration of the signal processing system are simplified.

【0037】これらの場合において、波長毎の格子マー
クの位置検出は、相対走査に伴う第1の合成光束と第2
の合成光束の各光量信号変化の各位相に基づいてそれぞ
れ求めた検出位置を平均することにより行なうことが望
ましい。
In these cases, the position of the grating mark for each wavelength is detected by the first combined light beam and the second light beam accompanying the relative scanning.
It is desirable to average the detection positions obtained based on the respective phases of the changes in the respective light amount signals of the combined light flux.

【0038】また、段差相当量の算出は、格子マークの
凹部と凸部の各幅の比率と、相対走査に伴う第1の合成
光束と第2の合成光束の各光量信号変化の位相差及びコ
ントラストとに基づいて行なうことができる。あるい
は、格子マークより反射・回折する0次回折光とN次回
折光との光量比を、入射光ビームの各波長毎に計測する
場合には、段差相当量の算出は、格子マークの凹部凸部
の各幅の比率と、相対走査に伴う第1の合成光束と第2
の合成光束の各光量信号変化の位相差と、計測した光量
比とに基づいて行なうことができる。この場合には、0
次回折光とN次回折光との光量比が直接的に計測されて
いるので、コントラストに基づいて光量比を算出する上
記の場合に比べて一層高精度に段差相当量を算出するこ
とができる。
Further, the step equivalent amount is calculated by calculating the ratio of the widths of the concave portion and the convex portion of the lattice mark, the phase difference between the light amount signal changes of the first combined light beam and the second combined light beam due to relative scanning, and It can be performed based on the contrast. Alternatively, when the light quantity ratio between the 0th-order diffracted light reflected and diffracted by the grating mark and the Nth-order diffracted light is measured for each wavelength of the incident light beam, the step equivalent amount is calculated by using the concave and convex portions of the grating mark. The ratio of each width, the first combined luminous flux and the second
Can be performed based on the phase difference of each light amount signal change of the combined light flux and the measured light amount ratio. In this case, 0
Since the light quantity ratio between the second-order diffracted light and the N-th order diffracted light is directly measured, the step equivalent amount can be calculated with higher accuracy than in the case where the light quantity ratio is calculated based on the contrast.

【0039】請求項6に記載の発明は、微細パターンの
形成された基板上に形成された特定の方向に周期性(周
期=P)を持って凹部と凸部を繰り返す格子マークの前
記周期方向の位置を検出する位置検出装置であって、前
記格子マーク上に、振幅分布の周期が2P/N(Nは自
然数)でその周期方向が前記格子マークの周期方向に等
しい干渉縞を形成すべく、可干渉な光ビームの対を波長
の異なる複数組入射する送光光学系と;前記格子マーク
による前記入射光ビームの反射・回折光のうち、第1の
光ビームの正反射光と第2の光ビームのN次回折光との
合成光束である第1の合成光束と、前記第2の光ビーム
の正反射光と前記第1の光ビームのN次回折光との合成
光束である第2の合成光束とを、それぞれ、かつ、前記
複数の波長毎に別々に光電変換する受光手段と;前記格
子マークと前記干渉縞とを前記周期方向に相対走査する
相対走査手段と;前記受光手段より得られる前記各波長
毎の前記第1、第2の合成光束の光量信号の前記相対走
査に伴う変化より各波長毎に前記格子マークの位置を検
出する位置検出手段と;前記格子マークの段差相当量
を、前記受光手段より得られる前記各波長毎の前記第
1、第2の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴う変
化と前記格子マークの設計データとに基づいて、前記格
子マークの段差を前記格子マーク表面近傍の媒質中の前
記入射光ビームの各波長の半分で除した剰余として、各
波長毎に算出する段差検出手段と;前記各波長毎に検出
した前記格子マークの位置を、前記各波長毎に算出した
前記段差相当量が、前記入射光ビームの前記格子マーク
表面近傍での各波長の1/4相当量に近いほど大きな重
みを付けて加重平均し、その平均値を前記格子マークの
最終的な検出位置とする演算手段とを有する。
According to a sixth aspect of the present invention, the periodic direction of the lattice mark in which the concave portion and the convex portion are repeated with periodicity (period = P) in a specific direction formed on the substrate on which the fine pattern is formed A position detecting device for detecting the position of the lattice mark, wherein an interference fringe having a period of amplitude distribution of 2P / N (N is a natural number) and a period direction of which is equal to the period direction of the lattice mark is formed on the lattice mark. A light-transmitting optical system for injecting a plurality of pairs of coherent light beams having different wavelengths; a specular reflection light of a first light beam and a second light of the reflected / diffracted light of the incident light beam by the grating mark; A first combined light beam that is a combined light beam of the N.sup.th-order diffracted light of the first light beam, and a second combined light beam of the regularly reflected light of the second light beam and the N.sup.th-order diffracted light of the first light beam. Separate the combined luminous flux and each of the multiple wavelengths. A light receiving means for photoelectrically converting into light; a relative scanning means for relatively scanning the grating mark and the interference fringes in the periodic direction; a combination of the first and second combined light fluxes obtained by the light receiving means for each wavelength. Position detecting means for detecting the position of the grating mark for each wavelength based on a change in the light amount signal due to the relative scanning; and a step equivalent amount of the grating mark for the first wavelength for each wavelength obtained from the light receiving means. , The wavelength of the incident light beam in the medium near the surface of the grating mark based on the change in the light amount signal of the second combined light flux due to the relative scanning and the design data of the grating mark. Step difference detecting means for calculating each wavelength as a remainder divided by half; the position of the grating mark detected for each wavelength, the step equivalent amount calculated for each wavelength is the incident light beam. of Serial weighted average with a greater weight closer to 1/4 equivalent amount of each wavelength at the grating mark near the surface, and a calculating means for the average value as the final detected position of the grating mark.

【0040】これによれば、送光光学系により格子マー
ク上に、振幅分布の周期が2P/N(Nは自然数)でそ
の周期方向が前記格子マークの周期方向に等しい干渉縞
を形成すべく、可干渉な光ビームの対が波長の異なる複
数組入射され、相対走査手段によりこの干渉縞と格子マ
ークとが周期方向に相対走査される。
According to this, in order to form an interference fringe having a period of amplitude distribution of 2P / N (N is a natural number) on the grating mark by the light transmitting optical system, and the period direction thereof is equal to the period direction of the grating mark. A plurality of pairs of coherent light beams having different wavelengths are made incident, and the relative scanning means relatively scans the interference fringes and the grating mark in the periodic direction.

【0041】次に、受光手段において、格子マークによ
る入射光ビームの反射・回折光のうち、第1の光ビーム
の正反射光と第2の光ビームのN次回折光との合成光束
である第1の合成光束と、第2の光ビームの正反射光と
第1の光ビームのN次回折光との合成光束である第2の
合成光束とが、それぞれ、かつ、複数の波長毎に別々に
光電変換される。位置検出手段では、受光手段より得ら
れる各波長毎の第1、第2の合成光束の光量信号の前記
相対走査に伴う変化より各波長毎に格子マークの位置を
検出し、また、段差検出手段では、格子マークの段差相
当量を、受光手段より得られる各波長毎の第1、第2の
合成光束の光量信号の相対走査に伴う変化と格子マーク
の設計データとに基づいて、格子マークの段差を格子マ
ーク表面近傍の媒質中の入射光ビームの各波長の半分で
除した剰余として、各波長毎に算出する。
Next, in the light receiving means, of the reflected / diffracted light of the incident light beam by the grating mark, it is the combined light flux of the specularly reflected light of the first light beam and the Nth-order diffracted light of the second light beam. The first combined light flux, the second combined light flux that is the combined light flux of the specularly reflected light of the second light beam and the Nth-order diffracted light of the first light beam are separately and separately for each of a plurality of wavelengths. It is photoelectrically converted. The position detecting means detects the position of the grating mark for each wavelength from the change of the light amount signals of the first and second combined light fluxes for each wavelength obtained by the light receiving means due to the relative scanning, and the step detecting means. Then, the step-corresponding amount of the grating mark is determined based on the change in the light amount signals of the first and second combined light fluxes for each wavelength obtained by the light receiving means due to the relative scanning and the design data of the grating mark. It is calculated for each wavelength as a remainder obtained by dividing the step by half of each wavelength of the incident light beam in the medium near the surface of the grating mark.

【0042】そして、演算手段では、各波長毎に検出し
た格子マークの位置を、各波長毎に算出した段差相当量
が、入射光ビームの格子マーク表面近傍での各波長の1
/4相当量に近いほど大きな重みを付けて加重平均し、
その平均値を格子マークの最終的な検出位置とする。
In the calculating means, the position of the grating mark detected for each wavelength is calculated for each wavelength, and the step equivalent amount is 1 for each wavelength in the vicinity of the grating mark surface of the incident light beam.
/ 4 weighted and weighted average
The average value is used as the final detection position of the lattice mark.

【0043】従って、請求項1に記載の発明と同様に、
段差の4/(2m+1)倍に最も近い波長の検出光での
検出結果に重きをおいた加重平均値を最終的な格子マー
クの検出位置とすることができ、非対称な格子マークに
対しても、波長毎のマーク検出位置を単純平均する場合
に比べれば、極めて高精度な位置検出を行なうことが可
能となり、平均化効果を最大限に発揮することができ
る。
Therefore, similar to the invention described in claim 1,
A final weighted average value can be used as the final detection position of the grating mark, with a weighted average value that emphasizes the detection result with the detection light having the wavelength closest to 4 / (2m + 1) times the step, and even for asymmetrical grating marks. As compared with the case of simply averaging the mark detection positions for each wavelength, it is possible to perform extremely highly accurate position detection and maximize the averaging effect.

【0044】ここで、位置検出手段は、相対走査に伴う
第1の合成光束と第2の合成光束の各光量信号変化の各
位相に基づいてそれぞれ求めた検出位置の平均値を格子
マークの位置として検出するようにしても良い。
Here, the position detecting means calculates the average value of the detection positions obtained on the basis of the respective phases of the respective light quantity signal changes of the first combined light beam and the second combined light beam due to the relative scanning, and the average position of the lattice mark. You may make it detect as.

【0045】また、段差検出手段は、格子マークの凹部
と凸部の各幅の比率と、相対走査に伴う第1の合成光束
と第2の合成光束の各光量信号変化の位相差及びコント
ラストとに基づいて段差相当量を算出するようにしても
良い。あるいは、格子マークより反射・回折する0次回
折光とN次回折光との光量比を、入射光ビームの各波長
毎に計測する光量比計測手段を更に有する場合には、段
差検出手段は、格子マークの凹部凸部の各幅の比率と、
相対走査に伴う第1の合成光束と第2の合成光束との各
光量信号変化の位相差と、光量比計測手段により得られ
た光量比に基づいて段差相当量を算出するようにしても
よい。後者の場合には、0次回折光とN次回折光との光
量比が直接的に計測されているので、コントラストに基
づいて光量比を算出する前者の場合に比べて一層高精度
に段差相当量を算出することができる。
Further, the step detecting means determines the ratio of the widths of the concave portion and the convex portion of the lattice mark, the phase difference and the contrast of the respective light amount signal changes of the first combined light beam and the second combined light beam due to the relative scanning. Alternatively, the step equivalent amount may be calculated based on. Alternatively, when a light quantity ratio measuring means for measuring the light quantity ratio of the 0th-order diffracted light reflected and diffracted by the grating mark and the Nth-order diffracted light for each wavelength of the incident light beam is further provided, the step detecting means is a grating mark. The ratio of each width of the concave portion of the
The step equivalent amount may be calculated based on the phase difference between the changes in the respective light amount signals of the first combined light beam and the second combined light beam due to the relative scanning, and the light amount ratio obtained by the light amount ratio measuring means. . In the latter case, since the light quantity ratio between the 0th-order diffracted light and the Nth-order diffracted light is directly measured, the step equivalent amount can be calculated with higher accuracy than in the former case in which the light quantity ratio is calculated based on the contrast. It can be calculated.

【0046】また、前記相対走査手段は、基板を格子マ
ークの周期方向に走査可能なステージにより構成しても
よいが、波長の異なる複数組の可干渉な光ビームの対の
うち、第1の光ビームの周波数と第2の光ビームの周波
数とを僅かに異ならせ、これにより形成される干渉縞を
格子マーク上で周期方向に等速度で移動させる手段によ
り構成しても良い。後者によれば、検出中に基板が停止
したままでも、検出が可能になる。
The relative scanning means may be constituted by a stage capable of scanning the substrate in the periodic direction of the grating mark, but the first of the plural pairs of coherent light beams having different wavelengths. The frequency of the light beam may be slightly different from the frequency of the second light beam, and the interference fringes formed thereby may be moved on the grating mark in the periodic direction at a constant speed. According to the latter, it is possible to detect even if the substrate remains stopped during the detection.

【0047】[0047]

【実施例】【Example】

《第1実施例》以下、本発明の第1実施例を図1ないし
図8に基づいて説明する。
<< First Embodiment >> A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0048】図1には第1実施例に係る位置検出装置1
00の主要部の構成が概略的に示されている。この位置
検出装置100は、基板としてのウエハWが搭載された
ウエハステージWSTと、このウエハステージWSTを
2次元方向に駆動する駆動系21と、送光光学系102
と、受光光学系104とを備えている。
FIG. 1 shows a position detecting device 1 according to the first embodiment.
The structure of the main part of 00 is shown schematically. The position detecting device 100 includes a wafer stage WST on which a wafer W as a substrate is mounted, a drive system 21 for driving the wafer stage WST in a two-dimensional direction, and a light transmitting optical system 102.
And a light receiving optical system 104.

【0049】この内、送光光学系102は、3つのレー
ザ光源LS1 、LS2 、LS3 、ミラー1、ダイクロイ
ックミラー2、3、ミラー4、回転ラジアル格子板RR
G、コリメータレンズ5、光束選択部材6、平行平板ガ
ラスで構成された調整光学系7、8、9、ビームスプリ
ッタ(ハーフミラー)10及び対物レンズ11等を含ん
で構成されている。ここで、この送光光学系102につ
いて上記構成各部の作用とともに説明する。
Of these, the light-transmitting optical system 102 includes three laser light sources LS1, LS2, LS3, a mirror 1, a dichroic mirror 2, 3, a mirror 4, and a rotary radial grating plate RR.
G, a collimator lens 5, a light flux selecting member 6, adjusting optical systems 7, 8 and 9 made of parallel plate glass, a beam splitter (half mirror) 10, an objective lens 11 and the like. Here, the operation of the light transmitting optical system 102 will be described together with the operation of each of the above components.

【0050】前記3つのレーザ光源LS1 、LS2 、L
S3 はそれぞれ異なる波長λ1 、λ2 、λ3 のレーザビ
ームLB1 、LB2 、LB3 を射出する。本実施例で
は、例えば、レーザ光源LS1 としてはλ1 =633nm の
He−Neレーザ光源、光源LS2 としてはλ2 =690n
m の半導体レーザ光源、光源LS3 としてはλ3 =780n
m の半導体レーザ光源がそれぞれ用いられ、従って波長
の関係はλ1 <λ2 <λ3 に設定されているものとす
る。
The three laser light sources LS1, LS2, L
S3 emits laser beams LB1, LB2 and LB3 having different wavelengths .lambda.1, .lambda.2 and .lambda.3, respectively. In this embodiment, for example, the laser light source LS1 is a He--Ne laser light source of .lambda.1 = 633 nm, and the light source LS2 is .lambda.2 = 690n.
.lamda.3 = 780n as a semiconductor laser light source of m and light source LS3
It is assumed that m semiconductor laser light sources are used, and therefore the wavelength relationship is set to λ1 <λ2 <λ3.

【0051】これら3本のビームLB1 、LB2 、LB
3 は、ミラー1、ダイクロイックミラー2、3を介して
1本の同軸のビームLB0 に合成され、ミラー4で反射
されて回転ラジアル格子板RRGに入射する。この格子
板RRGは、一方向に等角速度で回転軸C0 の回りに高
速回転しており、この格子板RRGによって回折された
各次数の回折光の周波数を、角速度に応じた分だけ増減
させる機能を有する。
These three beams LB1, LB2, LB
3 is combined into one coaxial beam LB0 via the mirror 1 and the dichroic mirrors 2 and 3, and is reflected by the mirror 4 to enter the rotating radial grating plate RRG. The grating plate RRG rotates at high speed around the rotation axis C0 at a constant angular velocity in one direction, and functions to increase or decrease the frequency of the diffracted light of each order diffracted by the grating plate RRG by an amount corresponding to the angular velocity. Have.

【0052】図2には、この回転ラジアル格子板RRG
の拡大斜視図が示されている。この回転ラジアル格子板
RRGは、円板状部材から成り、この格子板RRGには
円周方向に沿って所定ピッチ間隔で透過型の位相回折格
子RGが360度に渡って形成されている。ここでは、
この格子板RRGの回転軸C0 がXYZ座標系のX軸と
平行に設定されているものとする。ビームLB0 が格子
板RRGの格子RGに垂直に入射すると、0次光D0 以
外に各種の回折光が発生するが、本第1実施例では±1
次回折光を用いてヘテロダイン方式を実現するので、図
1、図2では格子板RRGからの±1次回折光のみを示
してある。
FIG. 2 shows this rotating radial grating plate RRG.
An enlarged perspective view of is shown. The rotating radial grating plate RRG is made of a disk-shaped member, and transmission phase diffraction gratings RG are formed on the grating plate RRG at predetermined pitch intervals along the circumferential direction over 360 degrees. here,
It is assumed that the rotation axis C0 of the lattice plate RRG is set parallel to the X axis of the XYZ coordinate system. When the beam LB0 is vertically incident on the grating RG of the grating plate RRG, various diffracted lights are generated in addition to the 0th order light D0, but in the first embodiment, ± 1.
Since the heterodyne system is realized by using the diffracted light of the order, only the ± 1st diffracted light from the grating plate RRG is shown in FIGS. 1 and 2.

【0053】さて、ビームLB0 が格子板RRGの格子
RGに垂直に入射すると、図2に示される如く、格子板
RRGの格子RGからは、波長λ1 のビームLB1 から
作られた1次回折ビーム±D11と、波長λ2 のビームL
B2 から作られた1次回折ビーム±D12と、そして波長
λ3 のビームLB3 から作られた1次回折ビーム±D13
が発生する。各波長毎に1次回折ビームの回折角θは以
下のように表される。
Now, when the beam LB0 is vertically incident on the grating RG of the grating plate RRG, as shown in FIG. 2, from the grating RG of the grating plate RRG, the first-order diffracted beam ± 1 made from the beam LB1 of the wavelength λ1. D11 and beam L of wavelength λ2
First-order diffracted beam ± D12 made from B2 and first-order diffracted beam ± D13 made from beam LB3 of wavelength λ3
Occurs. The diffraction angle θ of the first-order diffracted beam for each wavelength is expressed as follows.

【0054】[0054]

【数1】sin θn =λn /Prg ………(1) ここで添字n は各波長の区別を表し(n=1,2,
3)、Prgは格子RGの周期を表す。
## EQU1 ## sin θn = λn / Prg (1) where the subscript n represents the distinction of each wavelength (n = 1, 2,
3), Prg represents the period of the lattice RG.

【0055】一方、格子板RRGから発生した前記1次
回折ビームは波長によらず一定の周波数偏移Δfを受け
る。すなわち、格子板RRGの格子RGがビームLB0
を横切る速度をVとすると、Δf=V/Prgで表され、
+1次回折ビームの周波数は0次光D0 の周波数よりΔ
fだけ高くなり、−1次回折ビームの周波数は0次光D
0 の周波数よりΔfだけ低くなる。このように、回転ラ
ジアル格子板RRGは、一種の周波数シフターとして機
能する。
On the other hand, the first-order diffracted beam generated from the grating plate RRG receives a constant frequency shift Δf regardless of the wavelength. That is, the grating RG of the grating plate RRG is the beam LB0.
If the velocity across V is V, then Δf = V / Prg,
The frequency of the + 1st order diffracted beam is Δ from the frequency of the 0th order light D0.
The frequency of the -1st-order diffracted beam increases by f and the 0th-order light D
It is lower than the frequency of 0 by Δf. Thus, the rotary radial grating plate RRG functions as a kind of frequency shifter.

【0056】上記のようにして周波数シフトされた3つ
の波長成分の+1次回折ビーム+D1n(n=1、2、
3)から成る送光ビーム+LF及び−1次回折ビーム−
D1n(n=1、2、3)からなる送光ビーム−LFと、
0次光D0 とは、図1に示されるように、コリメータレ
ンズ5により主光線が互いに平行になるように変換さ
れ、光束選択部材6に達する。この光束選択部材6は、
いわゆるフーリエ変換面に置かれる空間フィルタとして
機能し、ここでは0次光D0 が遮断され、1次回折光±
D1nによる送光ビーム±LFが通過する。
The + 1st-order diffracted beam + D1n (n = 1, 2,
3) Transmitted beam + LF and -1st-order diffracted beam-
A light-transmitting beam -LF composed of D1n (n = 1, 2, 3),
As shown in FIG. 1, the 0th-order light D0 is converted by the collimator lens 5 so that the principal rays are parallel to each other, and reaches the light flux selecting member 6. This luminous flux selection member 6 is
It functions as a so-called spatial filter placed on the so-called Fourier transform plane, where the 0th-order light D0 is blocked and the 1st-order diffracted light ±
The light transmission beam ± LF by D1n passes.

【0057】その後、送光ビーム±LFは傾斜量が可変
な平行平板ガラスで構成された調整光学系7、8、9を
介してビームスプリッタ(ハーフミラー)10に達す
る。
After that, the transmitted light beams ± LF reach the beam splitter (half mirror) 10 through the adjusting optical systems 7, 8 and 9 which are made of parallel plate glass whose tilt amount is variable.

【0058】調整光学系7は送光ビーム+LFと送光ビ
ーム−LFとのフーリエ空間での間隔を変えることな
く、レンズ5の光軸に対して偏心させる機能を有し、調
整光学系8、9は送光ビーム+LFと送光ビーム−LF
との夫々の光軸に対する位置を個別に調整する機能を有
する。すなわち、調整光学系7は対物レンズ11の光軸
を中心とした放射方向に関する送光ビーム(±LF)の
ウエハWに対する傾きを調整し、調整光学系8、9はウ
エハW上での対物レンズ11の光軸に対する送光ビーム
+LF、−LFの開き角を調整する。
The adjusting optical system 7 has a function of decentering the optical axis of the lens 5 without changing the distance between the light transmitting beam + LF and the light transmitting beam -LF in the Fourier space. 9 is a light-sending beam + LF and a light-sending beam -LF
It has a function of individually adjusting the positions of the optical axis and the optical axis. That is, the adjusting optical system 7 adjusts the inclination of the light-transmitting beam (± LF) with respect to the wafer W in the radiation direction centered on the optical axis of the objective lens 11, and the adjusting optical systems 8 and 9 adjust the objective lens on the wafer W. The opening angles of the light-sending beams + LF and -LF with respect to the optical axis 11 are adjusted.

【0059】その送光ビーム±LFはビームスプリッタ
10で2つに分割され、一方(反射光)は対物レンズ1
1に入射し、それぞれ平行光束となって各波長毎に異な
る角度で、ウエハWに入射する。
The transmitted beam ± LF is split into two by the beam splitter 10, and one (reflected light) is the objective lens 1
1, and becomes a parallel light flux, and is incident on the wafer W at different angles for each wavelength.

【0060】ここで、ウエハW上には、図7に示される
ような断面形状を有する格子マーク(位置検出マーク)
MGが予め形成されており、図1ではこの格子マーク
(位置検出マーク)MGが送光ビーム±LFの入射位置
に丁度位置している。
Here, on the wafer W, a lattice mark (position detection mark) having a sectional shape as shown in FIG.
MG is formed in advance, and in FIG. 1, this lattice mark (position detection mark) MG is located exactly at the incident position of the light transmitting beam ± LF.

【0061】従って、この格子マークMG上には、波長
λ1 の送光ビーム±D11の干渉によって作られた干渉
縞、波長λ2 の送光ビーム±D12の干渉によって作られ
た干渉縞、及び波長λ3 の送光ビーム±D13によって作
られた干渉縞の3つが、同一周期、同一位相で重畳して
現れる。さらに、送光ビーム+LFと−LFとの間の周
波数差2・Δfのため、その干渉縞は格子マークMG上
を一方向(格子マークMGの周期方向)に等速度で移動
しているように観測される。そしてその移動速度は、回
転ラジアル格子板RRGの格子RGの速度Vに比例して
いる。これより明らかなように、本第1実施例では回転
ラジアル格子板RRGによって相対走査手段が構成され
ている。
Therefore, on the grating mark MG, the interference fringes formed by the interference of the light-transmitting beams ± D11 of the wavelength λ1, the interference fringes formed by the interference of the light-transmitting beams ± D12 of the wavelength λ2, and the wavelength λ3. Three of the interference fringes created by the light transmission beams ± D13 appear in the same period and the same phase. Further, due to the frequency difference 2 · Δf between the light-transmitting beams + LF and −LF, the interference fringes appear to move on the grating mark MG in one direction (periodic direction of the grating mark MG) at a constant speed. To be observed. The moving speed thereof is proportional to the speed V of the grid RG of the rotating radial grid plate RRG. As is apparent from this, in the first embodiment, the relative scanning means is constituted by the rotating radial grating plate RRG.

【0062】なお、図1から明らかなように、ウエハW
表面(格子マークMG)とラジアル格子板RRGとは、
コリメータレンズ5と対物レンズ11との合成系によっ
て互いに共役(結像関係)になるように配置されてい
る。そのためラジアル格子板RRGの格子RGの±1次
回折光による回折像が、ウエハWの格子マークMG上に
形成されるが、0次光D0 が遮へいされているため格子
RGの周期の1/2の明暗像(干渉縞強度分布)が形成
される。
As is clear from FIG. 1, the wafer W
The surface (lattice mark MG) and the radial lattice plate RRG are
The collimator lens 5 and the objective lens 11 are arranged so as to be conjugated (imaging relationship) with each other by a combined system. Therefore, the diffraction image of the ± 1st-order diffracted light of the grating RG of the radial grating plate RRG is formed on the grating mark MG of the wafer W, but since the 0th-order light D0 is shielded, it is half the period of the grating RG. A bright-dark image (interference fringe intensity distribution) is formed.

【0063】本実施例では、その干渉縞のウエハW上で
の振幅の周期Pif(強度分布の周期の2倍)を、格子マ
ークMGの周期Pmgの2/N倍(Nは自然数)に設定す
る。このとき、上記3波長のいずれについても、一方の
(第1の)入射ビーム(例えば+LF)の格子マークM
Gによる0次回折光(正反射光)と、他方の(第2の)
入射ビーム(例えば−LF)の格子マークMGによるN
次回折光とは、同一方向に発生し互いに干渉する第1の
合成光束となり、また第2の入射ビームの格子マークM
Gによる0次回折光と、第1の入射ビームの格子マーク
MGによるN次回折光も、同一方向に発生し、互いに干
渉し合う第2の合成光束となる。そしてこれらの第1、
第2の合成光束は、光源である入射ビーム±LFの周波
数差に応じて、周波数2・Δfで強度変調されたビート
光となっている。
In this embodiment, the period Pif of the amplitude of the interference fringes on the wafer W (twice the period of the intensity distribution) is set to 2 / N times (N is a natural number) the period Pmg of the lattice mark MG. To do. At this time, for any of the above three wavelengths, the grating mark M of one (first) incident beam (for example, + LF)
0th-order diffracted light (regular reflection light) by G and the other (second)
N by the grating mark MG of the incident beam (for example, -LF)
The second-order diffracted light is a first combined light beam which is generated in the same direction and interferes with each other, and the grating mark M of the second incident beam.
The 0th-order diffracted light by G and the Nth-order diffracted light by the grating mark MG of the first incident beam are also generated in the same direction and become a second combined light flux that interferes with each other. And the first of these,
The second combined light flux is beat light whose intensity is modulated at a frequency of 2 · Δf according to the frequency difference between the incident beams ± LF that are light sources.

【0064】なお、このように、各0次回折光と各N次
回折光を同一方向に発生させるためには、別の見方をす
れば対物レンズ11の焦点距離をF0 として各波長毎の
送光ビーム±LFのフーリエ変換面(ビ−ムスプリッタ
ー近傍)上での間隔DLn を、格子マークMGの検出方
向について
As described above, in order to generate the 0th-order diffracted light and the Nth-order diffracted light in the same direction, from a different point of view, the focal length of the objective lens 11 is F0 and the transmitted light beam for each wavelength is The distance DLn on the Fourier transform plane of ± LF (near the beam splitter) is determined with respect to the detection direction of the grating mark MG.

【数2】 DLn =±N・F0・λn/Pmg ………(2) に設定すればよい。このような各波長毎の間隔DLn の
設定は、回転ラジアル格子板RRGの格子RGの周期や
コリメータレンズ5の焦点距離を適当に定めることで調
整可能である。
[Formula 2] DLn = ± NF0λn / Pmg (2) The setting of the interval DLn for each wavelength can be adjusted by appropriately determining the period of the grating RG of the rotating radial grating plate RRG and the focal length of the collimator lens 5.

【0065】さらには、格子マークMGが多少デフォー
カス(光軸AX方向にずれる)した状態でもその検出位
置に誤差が生じないように、送光ビーム±LFは格子マ
ークMG(ウエハW)に等傾角で入射すること、すなわ
ちフーリエ変換面上で光軸AXから格子マークMGの検
出方向にそれぞれ、DLn /2だけ離れた位置を通るこ
とが望ましい。
Further, even if the grating mark MG is slightly defocused (shifted in the direction of the optical axis AX), the light-sending beam ± LF is equal to the grating mark MG (wafer W) so that an error does not occur in the detection position. It is preferable that the light beams are incident at an inclination angle, that is, the light beams pass through positions on the Fourier transform plane, which are separated from each other by DLn / 2 in the detection direction of the grating mark MG from the optical axis AX.

【0066】すなわち、本第1実施例の位置検出装置1
00の構成は、従来の「0N次法」の構成に近いものと
なる。
That is, the position detecting device 1 according to the first embodiment.
The configuration of 00 is close to the configuration of the conventional “0th order method”.

【0067】ところで、光学系5、11等にわずかでも
色収差があると、ウエハW上に形成される干渉縞は、そ
れぞれの色で相互に位置ずれ(位相ずれ)、及び周期ず
れを起こしてしまう恐れがある。そこで、このようなず
れを補正するために、図1中の調整光学系7、8、9を
用いる。これらの光学系7、8、9は平行平板ガラスで
構成され、その材料として色分散の大きいものを用いる
と、各波長成分毎にウエハW上に形成される干渉縞の相
互の位置ずれや位相ずれを微小に変化させることができ
る。あるいは調整光学系7、8、9として、色分散の小
さい平行平板ガラスと色分散の大きい平行平板ガラスと
を組み合わせ、色分散の大きい平行平板ガラスの傾き調
整で各波長成分毎の干渉縞の相互の関係を補正し、その
補正によって生じる送光ビーム±LFのウエハW上での
全体的な傾き誤差に関しては、色分散の小さい平行平板
ガラスの傾き調整で補正することができる。
By the way, if there is a slight chromatic aberration in the optical systems 5, 11, etc., the interference fringes formed on the wafer W will have a positional shift (phase shift) and a periodic shift for each color. There is a fear. Therefore, the adjustment optical systems 7, 8 and 9 in FIG. 1 are used to correct such a shift. These optical systems 7, 8 and 9 are made of parallel plate glass, and if a material having a large chromatic dispersion is used as the material thereof, the positional displacement and phase of the interference fringes formed on the wafer W for each wavelength component are mutually different. The shift can be minutely changed. Alternatively, as the adjusting optical systems 7, 8 and 9, a parallel flat plate glass having a small chromatic dispersion and a parallel flat plate glass having a large chromatic dispersion are combined, and the inclination fringes of the parallel flat plate glass having a large chromatic dispersion are adjusted so that the interference fringes of each wavelength component are mutually The overall tilt error of the light-transmitting beams ± LF on the wafer W caused by the correction can be corrected by adjusting the tilt of the parallel plate glass having a small chromatic dispersion.

【0068】次に、前記受光光学系104について説明
する。この受光光学系104は、前記対物レンズ11、
ダイクロイックミラー16、18、波長選択フィルタ1
2、集光レンズ(フーリエ変換レンズ)13、参照格子
SG、空間フィルタ14、受光手段としての光電変換器
(ディテクタ)17a、17b、19a、19b、20
a、20b及び基準信号発生用のディテクタ15とを有
している。ここで、この受光光学系104について、上
記構成各部の作用とともに説明する。
Next, the light receiving optical system 104 will be described. The light receiving optical system 104 includes the objective lens 11,
Dichroic mirrors 16 and 18, wavelength selection filter 1
2, condenser lens (Fourier transform lens) 13, reference grating SG, spatial filter 14, photoelectric converters (detectors) 17a, 17b, 19a, 19b, 20 as light receiving means.
a, 20b and a detector 15 for generating a reference signal. Here, the light receiving optical system 104 will be described together with the operation of each of the above components.

【0069】前述したような干渉縞によって照明された
格子マークMGから発生した第1、第2の合成光束は、
対物レンズ11、ビームスプリッタ10を通過してダイ
クロイックミラー16に達する。これら第1、第2の合
成光束のうち波長λ1 の成分のビームA1 、B1 は、ダ
イクロイックミラー16により反射され、それぞれ光電
変換器(ディテクタ)17a、17bに入射し、その光
量信号は電気信号IA1 、IB1 に変換される。
The first and second combined light fluxes generated from the grating mark MG illuminated by the interference fringes as described above are
It passes through the objective lens 11 and the beam splitter 10 and reaches the dichroic mirror 16. The beams A1 and B1 of the component of wavelength λ1 of the first and second combined light fluxes are reflected by the dichroic mirror 16 and are incident on photoelectric converters (detectors) 17a and 17b, respectively, and the light quantity signals thereof are electric signals IA1. , IB1.

【0070】第1、第2の合成光束のうち波長λ2 、λ
3 のビームは、ダイクロイックミラー16を透過し、ダ
イクロイックミラー18に至る。そして、第1、第2の
合成光束A,Bのうち波長λ2 の成分のビームA2 、B
2 は、ダイクロイックミラー18により反射され、それ
ぞれディテクタ19a、19bに入射し、光電変換され
る。一方、波長λ3 の成分のビームA3 、B3 は、ダイ
クロイックミラー18を透過し、それぞれディテクタ2
0a、20bに入射し、光電変換される。なお、使用す
る波長λ1 、λ2 、λ3 の間隔によっては、ダイクロイ
ックミラー16、18による波長分割が不十分なことも
あるので、各ディテクタの直前に干渉フィルタ(狭帯バ
ンドパスフィルタ)を配置してもよい。
Of the first and second combined light fluxes, the wavelengths λ2 and λ
The beam of 3 passes through the dichroic mirror 16 and reaches the dichroic mirror 18. Then, of the first and second combined luminous fluxes A and B, the beams A2 and B of the component of wavelength .lambda.2 are obtained.
2 is reflected by the dichroic mirror 18, enters the detectors 19a and 19b, respectively, and is photoelectrically converted. On the other hand, the beams A3 and B3 of the wavelength .lambda.3 are transmitted through the dichroic mirror 18 and are respectively detected by the detector 2
It is incident on 0a and 20b and is photoelectrically converted. Since the wavelength division by the dichroic mirrors 16 and 18 may be insufficient depending on the intervals of the wavelengths λ 1, λ 2 and λ 3 used, an interference filter (narrow bandpass filter) should be placed immediately before each detector. Good.

【0071】各ディテクタ17a、17b、18a、1
8b、19a、19bによる光電信号IA1 、IB1 、
IA2 、IB2 、IA3 、IB3 は、上記の干渉縞が格
子マークMG部分を照射する間、いずれもビート周波数
2・Δfと同じ周波数の正弦波となる。
Each detector 17a, 17b, 18a, 1
Photoelectric signals IA1, IB1, by 8b, 19a, 19b,
Each of IA2, IB2, IA3, and IB3 becomes a sine wave having the same frequency as the beat frequency 2.multidot..DELTA.f while the interference fringe irradiates the grating mark MG portion.

【0072】一方、コリメータレンズ5の方からビーム
スプリッタ10を透過した光束(送光ビーム±LF)
は、波長選択フィルタ12を介して送光ビーム±LF中
の特定の波長の1次ビーム、ここではλ2 の1次ビーム
±D12のみが選択されて集光レンズ(フーリエ変換レン
ズ)13に入射する。そして、透過型の参照格子SG上
に重畳して照射される。ここでも参照格子SGはコリメ
ータレンズ5と集光レンズ13との合成系に関して回転
ラジアル格子板RRGと共役に配置されている。このた
め参照格子SG上にも1次ビーム±D12の2光束干渉に
よる1次元の干渉縞が形成され、それはビート周波数2
・Δfに対応した速度で移動する。
On the other hand, the light beam (transmitted beam ± LF) transmitted from the collimator lens 5 through the beam splitter 10.
Is the primary beam of a specific wavelength in the transmitted light beam ± LF, which is the primary beam ± D12 of λ2, and is incident on the condenser lens (Fourier transform lens) 13 via the wavelength selection filter 12. . Then, irradiation is performed by superimposing it on the transmissive reference grating SG. Here again, the reference grating SG is arranged conjugate with the rotary radial grating plate RRG with respect to the combined system of the collimator lens 5 and the condenser lens 13. Therefore, one-dimensional interference fringes due to the two-beam interference of the primary beams ± D12 are also formed on the reference grating SG, which has a beat frequency of 2
・ Move at a speed corresponding to Δf.

【0073】そこで、参照格子SGの周期とその干渉縞
の周期とを適当に定めると、参照格子SGから発生した
±1次回折光が同一方向に干渉ビームBmsとなって進
み、それは空間フィルタ14を透過してディテクタ15
に受光される。このディテクタ15の光電信号Imsも、
ビート周波数2・Δfと同じ周波数の正弦波となり、そ
の信号Imsがヘテロダイン方式の基準信号となる。
Therefore, if the period of the reference grating SG and the period of its interference fringes are appropriately determined, the ± 1st-order diffracted light generated from the reference grating SG travels in the same direction as an interference beam Bms, which passes through the spatial filter 14. Transmitted through detector 15
Received. The photoelectric signal Ims of this detector 15 is also
The sine wave has the same frequency as the beat frequency 2 · Δf, and its signal Ims becomes the reference signal of the heterodyne system.

【0074】なお、本第1実施例では、参照格子SGへ
照射する光束を、上記3波長の中の1波長としたが、こ
れは、次のような理由による。すなわち、参照格子SG
は、ガラス板上にクロム層を蒸着し、そのクロム層を透
明ラインと遮光ラインとが交互に形成されるようにエッ
チングして作られていることから、少なくともウエハW
上の格子マークMGのような非対称性、レジスト層の問
題がないほぼ理想的な格子(振幅透過率が対称的な格
子)として作られる。このため参照格子SGに照射され
る一対の送光ビームは3つの波長λ1 、λ2 、λ3 のう
ちいずれか1つの波長に対応した1次ビームだけでも十
分な精度が得られるからである。
In the first embodiment, the light flux to be applied to the reference grating SG is one wavelength out of the above three wavelengths, but this is for the following reason. That is, the reference lattice SG
Is formed by depositing a chrome layer on a glass plate and etching the chrome layer so that transparent lines and light-shielding lines are alternately formed.
It is made as an almost ideal grating (a grating whose amplitude transmittance is symmetric) having no asymmetry like the above grating mark MG and the problem of the resist layer. Therefore, a sufficient accuracy can be obtained even if only a primary beam corresponding to any one of the three wavelengths λ1, λ2 and λ3 is used as the pair of light-transmitting beams with which the reference grating SG is irradiated.

【0075】もちろん、送光ビーム±LFに含まれる3
つの1次ビーム±D11、±D12、±D13の全てを同時に
参照格子SGに照射して、ウエハW上の格子マークMG
と同様に多色干渉縞を形成するようにしてもよい。ただ
し、この場合には3波長が形成する干渉縞についても、
その位置及び周期を一致させるような調整機構を設ける
か、参照格子SG透過後の干渉ビームBmsを、ウエハW
上のマークの検出と同様に、各波長毎に別々に行なう必
要がある。
Of course, 3 included in the transmitted light beams ± LF
All the primary beams ± D11, ± D12, ± D13 are simultaneously applied to the reference grating SG, and the grating marks MG on the wafer W are irradiated.
Similarly to the above, multicolor interference fringes may be formed. However, in this case, the interference fringes formed by the three wavelengths are also
An adjustment mechanism for matching the position and the cycle is provided, or the interference beam Bms after passing through the reference grating SG is transferred to the wafer W.
Similar to the detection of the above mark, it is necessary to perform it separately for each wavelength.

【0076】次に、ウエハステージWSTについて説明
する。このウエハステージWSTは、駆動モータを含む
駆動系21によって対物レンズ11の光軸AXと垂直な
面(XY平面)内で2次元方向に駆動されるようになっ
ている。この駆動方式は、モータによって送りネジを回
転させる方式、又はリニアモータによってステージ本体
を直接運動させる方式のいずれでもよい。このウエハス
テージWST上に、不図示のウエハホルダを介してウエ
ハWが吸着保持されている。このウエハステージWST
の移動位置(座標位置)はレーザ干渉計22によって逐
次計測される。このレーザ干渉計22の計測値は駆動系
21のフィードバック制御に使われる。
Next, wafer stage WST will be described. The wafer stage WST is two-dimensionally driven by a drive system 21 including a drive motor in a plane (XY plane) perpendicular to the optical axis AX of the objective lens 11. This driving method may be either a method of rotating the feed screw by a motor or a method of directly moving the stage main body by a linear motor. The wafer W is suction-held on the wafer stage WST via a wafer holder (not shown). This wafer stage WST
The moving position (coordinate position) of is sequentially measured by the laser interferometer 22. The measurement value of the laser interferometer 22 is used for feedback control of the drive system 21.

【0077】さらに、ウエハステージWSTの一部に
は、フィデューシャルマーク(基準マーク)板FPが設
けられている。このマーク板FPには石英ガラスの表面
にクロム層でライン・アンド・スペースをパターニング
した基準マークFG(周期はウエハ上の格子マークMG
と同一)が形成されている。実際の位置検出において
は、ウエハW上の格子マークMGの位置検出に先立っ
て、この基準マークFGの位置を検出し、装置に依存す
る様々な誤差を補正するが、その詳細は後述する。
Further, a fiducial mark (reference mark) plate FP is provided on a part of wafer stage WST. On this mark plate FP, a reference mark FG (a period is a lattice mark MG on a wafer is formed by patterning lines and spaces with a chrome layer on the surface of quartz glass.
The same) is formed. In the actual position detection, prior to the position detection of the lattice mark MG on the wafer W, the position of the reference mark FG is detected to correct various device-dependent errors, which will be described in detail later.

【0078】本第1実施例の装置では、光源として半導
体レーザを用いるが、この場合半導体レーザ(LS2 、
LS3 )とミラー1、ダイクロイックミラー2とのそれ
ぞれの間に非点収差除去用の整形光学系(傾斜した複数
枚の平行平板ガラス等)を設け、1本に合成されたビー
ムLB0 の各波長成分毎の光束成分をほぼ等しい径にす
るのが好ましい。また、光源として半導体レーザ以外を
用いる場合にも、合成後のビームLB0 の径を各波長成
分毎に揃えるようなビーム整形光学系を設けることが望
ましい。
In the device of the first embodiment, a semiconductor laser is used as the light source. In this case, the semiconductor laser (LS2,
LS3) and a mirror 1 and a dichroic mirror 2 are provided with a shaping optical system for removing astigmatism (a plurality of tilted parallel flat glass plates, etc.) and each wavelength component of the beam LB0 combined into one. It is preferable that the luminous flux components for each of them have substantially the same diameter. Also, when a light source other than a semiconductor laser is used as the light source, it is desirable to provide a beam shaping optical system for making the diameters of the combined beam LB0 uniform for each wavelength component.

【0079】図3には、位置検出装置100を構成する
位置検出回路の一例が示されている。この位置検出回路
は、波長λn (n=1,2,3)にそれぞれ対応する3
つの位相差検出回路SAn (n=1,2,3)と、これ
らの位相差検出回路SAn に対応してそれぞれ設けられ
た3つの検出位置補正回路CAn (n=1,2,3)
と、平均化回路SSとを含んで構成されている。ここ
で、この位置検出回路を構成する各回路の役割を簡単に
説明する。
FIG. 3 shows an example of the position detection circuit which constitutes the position detection device 100. This position detection circuit has three wavelengths corresponding to wavelengths λn (n = 1, 2, 3).
One phase difference detection circuit SAn (n = 1, 2, 3) and three detection position correction circuits CAn (n = 1, 2, 3) respectively provided corresponding to these phase difference detection circuits SAn.
And an averaging circuit SS. Here, the role of each circuit forming the position detection circuit will be briefly described.

【0080】本第1実施例のようなヘテロダイン方式の
場合、前述の如く、上記の干渉縞が格子マークMG部分
あるいは、基準マークFGを照射するとき、各光電信号
IA1 、IB1 、IA2 、IB2 、IA3 、IB3 及び
Imsは、いずれもビート周波数2・Δfと同じ周波数の
正弦波となる。これらの信号の一例が図4ないし図6に
示されている。
In the case of the heterodyne system as in the first embodiment, as described above, when the above-mentioned interference fringe irradiates the grating mark MG portion or the reference mark FG, each photoelectric signal IA1, IB1, IA2, IB2, Each of IA3, IB3 and Ims is a sine wave having the same frequency as the beat frequency 2 · Δf. An example of these signals is shown in FIGS.

【0081】この内、図4(1)は、ディテクタ17a
の出力である、第1の合成光束中の波長λ1 の光束A1
の光量信号IA1 を示し、同図(2)はディテクタ17
bの出力である光量信号IB1 を示す。また、同図
(3)はディテクタ15の出力である基準信号Imsを示
す。これらの信号の間には基準信号Imsを基準として、
ΔA1 、ΔB1 の位相差が存在する。そしてこれらの位
相差量は、格子マークMGの位置及び段差量に対応した
ものとなっている。
Of these, FIG. 4A shows the detector 17a.
Which is the output of the first combined beam of light having wavelength λ1 of A1
The light amount signal IA1 of the detector 17 is shown in FIG.
The light quantity signal IB1 which is the output of b is shown. Further, FIG. 3C shows the reference signal Ims which is the output of the detector 15. Between these signals, with reference to the reference signal Ims,
There is a phase difference of ΔA1 and ΔB1. The amount of these phase differences corresponds to the position of the lattice mark MG and the amount of step difference.

【0082】同様に、図5(1)、(2)、(3)はそ
れぞれ波長λ2 の光量信号IA2、IB2、基準信号Ims
(図4(3)と同じ)を示し、図6(1)、(2)、
(3)はそれぞれ波長λ3 の光量信号IA3、IB3、基準
信号Ims(図4(3)と同じ)を示し、これらの図中の
位相差量も、格子マークMGの位置及び段差量に対応し
たものとなっている。
Similarly, FIGS. 5 (1), 5 (2) and 5 (3) respectively show the light amount signals IA2 and IB2 of the wavelength λ2 and the reference signal Ims.
FIG. 6 (1), (2),
(3) shows the light quantity signals IA3, IB3 and the reference signal Ims (same as in FIG. 4 (3)) of the wavelength λ3, respectively, and the phase difference quantity in these figures also corresponds to the position and the step amount of the grating mark MG. It has become a thing.

【0083】図3の位置検出回路においては、位相差検
出回路SA1 、SA2 、SA3 により、まずこれらの位
相差が検出される。すなわち、各位相差検出回路SAn
(n=1,2,3)では、各入力信号IAn 、IBn
の、参照信号Imsに対する位相差(ΔAn 、ΔBn [ra
d] )を検出する。この位相差を格子マークMGの位置
に変換するには、N・Pmg/(2π)倍(Nは前述の如
く格子マークMGの周期Pmgと格子マークMG上に形成
する干渉縞の振幅の周期の比の倍)すれば良いが、従来
技術の説明の項で述べたとおり、「0N次法」では、こ
れら2つの位相差からそれぞれ求めた検出位置の平均値
が、各波長についての格子マークMGの検出位置である
ので、各位相差検出回路SAn は平均値ΔXnとして、
In the position detecting circuit of FIG. 3, the phase difference detecting circuits SA1, SA2 and SA3 first detect the phase difference between them. That is, each phase difference detection circuit SAn
In (n = 1, 2, 3), each input signal IAn, IBn
Of the phase difference (ΔAn, ΔBn [ra
d]) is detected. To convert this phase difference into the position of the grating mark MG, N.times.Pmg / (2π) times (N is the period Pmg of the grating mark MG and the period of the amplitude of the interference fringes formed on the grating mark MG as described above. However, in the “0N-order method”, the average value of the detection positions obtained from these two phase differences is the grating mark MG for each wavelength, as described in the description of the prior art. Since each of the phase difference detection circuits SAn has the average value ΔXn,

【数3】 ΔXn={ΔAn・N・Pmg/(2π)+ΔBn・N・Pmg/(2π)}/2 …………(3) を出力する。## EQU3 ## ΔXn = {ΔAnNPmg / (2π) + ΔBnNPmg / (2π)} / 2 (3) is output.

【0084】さらに、各位相差検出回路SAn は、各入
力信号IAn 、IBn 、及び不図示のコンソール等から
入力した格子マークMGの凹部、凸部の各幅a,bに基
づいて格子マークMGの段差相当量δn を、真の段差を
波長λn の検出光束の格子マークMGの表面近傍での波
長λrnの半分λrn/2で除した剰余である光の位相量と
して算出する。格子マークMGの表面近傍での波長λrn
とは、例えば格子マークMGが、レジストやガラス(P
SG)等の透明物質で覆われている場合には、その透明
物質(媒体)中での波長を意味し、格子マークの表面が
むき出しになっている場合には、空気中の波長、すなわ
ちλn そのものを意味する。また、段差相当量δn の算
出アルゴリズムは本発明(本実施例)の特徴であり、そ
の詳細については後述する。
Further, each phase difference detection circuit SAn is configured to detect the step difference of the lattice mark MG based on the respective input signals IAn, IBn and the respective widths a, b of the concave portion and the convex portion of the lattice mark MG input from a console (not shown) or the like. The considerable amount δn is calculated as a phase amount of light which is a surplus obtained by dividing the true step difference by half λrn / 2 of the wavelength λrn in the vicinity of the surface of the grating mark MG of the detected light flux of wavelength λn. Wavelength λrn near the surface of the grating mark MG
Means, for example, that the lattice mark MG is a resist or a glass (P
SG) or the like, it means the wavelength in the transparent substance (medium), and when the surface of the lattice mark is exposed, the wavelength in air, that is, λn Means itself. Further, the algorithm for calculating the step equivalent amount Δn is a feature of the present invention (the present embodiment), and its details will be described later.

【0085】ところで、上記の検出位置ΔXn とは基準
信号Imsに対する位置ずれ(位相ずれ)量を検出したも
のであり、ウエハW上の格子マークMGそのものの位置
を検出したものではない。従って、基準信号Imsから求
める上記位置ずれ量と、ウエハW上の位置を対応させる
には、ウエハW上又はウエハステージWST上に位置基
準が必要である。
By the way, the above-mentioned detected position ΔXn is the amount of positional deviation (phase deviation) with respect to the reference signal Ims, and is not the position of the lattice mark MG itself on the wafer W. Therefore, a position reference is required on the wafer W or the wafer stage WST in order to correspond the above-mentioned positional deviation amount obtained from the reference signal Ims to the position on the wafer W.

【0086】前述した基準マークFGは、この位置基準
となるマークであり、ウエハW上の格子マークMGの位
置検出に先立って、先ず基準マークFGの位置を検出
し、基準信号Imsから求める上記位置ずれ量と、ウエハ
ステージWST上の位置との関係を求めておく(ベース
ラインチェック)。具体的には、先ず、レーザー干渉計
22の出力をモニタしつつ駆動系21により基準マーク
FGが位置検出ビーム±LF照射位置に位置するようウ
エハステージWSTを移動する。そして、上記のような
位置検出を基準マークFGに対して行ない、基準信号I
msに対する基準マークFGの位置ΔFXn を求める。各
検出位置補正回路CAn は、この各波長毎の検出位置Δ
FXn と、このときのレーザー干渉計22の出力LFGを
不図示のメモリに記憶する。この場合において、各波長
での干渉縞の位置がウエハW(及び基準マークFG)上
で完全に一致するように光学系が調整されていれば、Δ
FXn は各波長λn で等しくなる。
The above-mentioned reference mark FG is a mark which serves as this position reference. Prior to detecting the position of the lattice mark MG on the wafer W, the position of the reference mark FG is first detected and the above-mentioned position obtained from the reference signal Ims. The relationship between the shift amount and the position on wafer stage WST is obtained (baseline check). Specifically, first, while monitoring the output of the laser interferometer 22, the drive system 21 moves the wafer stage WST so that the reference mark FG is located at the position detection beam ± LF irradiation position. Then, the position detection as described above is performed on the reference mark FG, and the reference signal I
The position ΔFXn of the reference mark FG with respect to ms is obtained. Each detection position correction circuit CAn detects the detection position Δ for each wavelength.
FXn and the output LFG of the laser interferometer 22 at this time are stored in a memory (not shown). In this case, if the optical system is adjusted so that the positions of the interference fringes at the respective wavelengths are perfectly aligned on the wafer W (and the reference mark FG), then Δ
FXn becomes equal at each wavelength λn.

【0087】次に、ウエハステージWSTを移動し、ウ
エハW上の格子マークMGの位置検出を行なうが、各検
出位置補正回路CAn は、そのステージ位置でのレーザ
ー干渉計22の出力LMGと、先にメモリに記憶した基準
マークFG検出位置での出力LFGの差に、各波長毎の検
出結果ΔXn を加え、さらに上記ΔFXn を引いた値Δ
Xn'を、各波長λn での検出位置とする。
Next, the wafer stage WST is moved to detect the position of the lattice mark MG on the wafer W. Each detection position correction circuit CAn outputs the output LMG of the laser interferometer 22 at that stage position and A value Δ obtained by adding the detection result ΔXn for each wavelength to the difference in the output LFG at the reference mark FG detection position stored in the memory and further subtracting ΔFXn above.
Let Xn ′ be the detection position at each wavelength λn.

【0088】以上により求まった検出位置ΔXn'、段差
相当量δn をもとに、平均化回路SSは最終的な格子マ
ークMGの検出位置ΔXを算出する。具体的には、前述
した「検出光束のレジスト中波長の(2m+1)/4倍
のマーク段差では、検出誤差が極めて小さくなる。」と
いう原理に基づいて、各波長λn による段差相当量δn
が、π/2[rad] (検出光束の波長λn の1/4に相当
(m=0:段差相当量δn は、半波長の剰余なのでm>
0は考慮しなくて良い)に近ければ検出位置ΔXn'に大
きなウェイト(重み)を、遠ければ小さなウェイトを掛
けて加重平均する。この結果、最終的な格子マークMG
の検出位置ΔXは、段差の4/(2m+1)倍に近い波
長の検出光の検出結果による大きなウェイトが掛かり、
かつ多波長化による平均化効果が得られるため、従来の
方法に比べより高精度なものとなる。
The averaging circuit SS calculates the final detection position ΔX of the lattice mark MG based on the detection position ΔXn 'and the step equivalent amount δn obtained as described above. Specifically, based on the above-described principle that "the detection error is extremely small when the mark step is (2m + 1) / 4 times the wavelength in the resist of the detected light flux, the step difference amount δn corresponding to each wavelength λn".
Π / 2 [rad] (corresponding to 1/4 of the wavelength λn of the detected light beam (m = 0: the step equivalent δn is a half-wavelength remainder, m>
If 0 is not considered), a large weight is added to the detected position ΔXn ′, and if it is far away, a small weight is applied to perform weighted averaging. As a result, the final grid mark MG
The detection position ΔX of is heavily weighted by the detection result of the detection light having a wavelength close to 4 / (2m + 1) times the step,
In addition, since the averaging effect is obtained by increasing the number of wavelengths, the accuracy is higher than that of the conventional method.

【0089】上記ウェイトWn の例としては、例えばAs an example of the weight Wn, for example,

【数4】 Wn =cos[(δn −π/2)] ………(4) や、## EQU00004 ## Wn = cos [(. Delta.n-.pi./2)]...(4) and

【数5】 Wn =[1+cos{2・(δn −π/2)}]/2 ………(5) を使用する。そして、## EQU5 ## Wn = [1 + cos {2 (δn-π / 2)}] / 2 (5) is used. And

【数6】 ΔX=(ΣWn ・ΔXn')/ΣWn ………(6) により、加重平均を求めればよい。また、ウェイトWn
は、上記以外にもδn がπ/2近傍で大きく、π/2か
ら離れる程小さくなるものであればどのようなものであ
っても良い。
[Mathematical formula-see original document] The weighted average may be obtained by ΔX = (ΣWn.ΔXn ') / ΣWn (6) Also, the weight Wn
Other than the above, any value may be used as long as δn is large in the vicinity of π / 2 and becomes smaller as the distance from π / 2 becomes smaller.

【0090】次に、本発明(本実施例)の特徴である、
格子マークMGの段差量の検出原理及び方法について説
明する。
Next, the features of the present invention (this embodiment),
The principle and method of detecting the level difference of the lattice mark MG will be described.

【0091】図7には、格子マークMGの一例が拡大し
て示されており、凹部の幅がa、凸部の幅がb、両部間
の段差はhであるとする。なお、図7及び以下の説明で
は、簡略化のために格子マークMG上にレジストは塗布
されていない、すなわちλrn=λn となっているものと
する。また、凹部、凸部のそれぞれの波長λ(λは上記
λn (n=1,2,3)のいずれか)の検出光に対する
振幅反射率は、φa 、φb であるとする。なお、このと
きに振幅反射率φa 、φb は、深さ方向に(図7中上下
方向に)同一位置の面内での反射光の振幅を表わすもの
とする。具体的に説明すれば、この基準面を格子マーク
MGの凸部の表面とすると、例えばφaは、凹部表面で
の振幅反射率に、段差hの往復光路差(位相差)に相当
する因子、すなわちexp(4πih/λ)を掛けたも
のとなる。φb についても同様であるが、ここではマー
クMGの凸部表面を基準面として考えるので、光路差
(=0)の因子はexp(4πi0/λ)=1となる。
従って、φa とφb の位相差が求まれば、段差量hを求
めることができる。
FIG. 7 shows an example of the lattice mark MG in an enlarged manner, where it is assumed that the width of the concave portion is a, the width of the convex portion is b, and the step between both portions is h. Note that, in FIG. 7 and the following description, for simplification, it is assumed that no resist is applied on the lattice mark MG, that is, λrn = λn. Further, the amplitude reflectances for the detection light of the wavelengths λ (where λ is any of the above λn (n = 1, 2, 3)) of the concave portion and the convex portion are φa and φb. At this time, the amplitude reflectances φa and φb represent the amplitudes of the reflected light within the plane at the same position in the depth direction (vertical direction in FIG. 7). More specifically, assuming that this reference surface is the surface of the convex portion of the lattice mark MG, for example, φa is a factor corresponding to the amplitude reflectance on the concave surface and the round-trip optical path difference (phase difference) of the step h, That is, it is multiplied by exp (4πih / λ). The same applies to φb, but since the surface of the convex portion of the mark MG is considered as the reference surface here, the factor of the optical path difference (= 0) is exp (4πi0 / λ) = 1.
Therefore, if the phase difference between φa and φb is obtained, the step amount h can be obtained.

【0092】一般に、図7中の凹部、凸部のそれぞれか
ら発生する回折光の回折方向に対する振幅分布は、si
nc関数として表される。例えば、幅aの凹部から発生
する回折光の振幅分布は、図7の段差パターンの周期方
向に対して、
Generally, the amplitude distribution of the diffracted light generated from each of the concave portion and the convex portion in FIG.
It is represented as an nc function. For example, the amplitude distribution of the diffracted light generated from the concave portion having the width a is as follows with respect to the periodic direction of the step pattern of FIG.

【数7】 ψA(u) = φa・sin(πau)/(πu)………(7) となる。ここでuは、回折角Θに対し、## EQU00007 ## .phi.A (u) =. Phi.a.sin (.pi.au) / (. Pi.u) ... (7). Where u is the diffraction angle Θ

【数8】 u = sinΘ/λn ………(8) であり、同様に幅bの凸部から発生する回折光の振幅分
布は、
## EQU00008 ## u = sin .THETA ./. Lambda.n (8), and similarly, the amplitude distribution of the diffracted light generated from the convex portion with the width b is

【数9】 ψB(u) = φb・sin(πbu)/(πu) (9) である。これらは、u=0(0次回折光)では、それぞ
れ、a・φa 、b・φbとなる。
## EQU00009 ## .phi.B (u) =. Phi.b.sin (.pi.bu) / (. Pi.u) (9). At u = 0 (zero-order diffracted light), these are a · φa and b · φb, respectively.

【0093】そして、凹部,凸部が、図7の如くピッチ
Pで周期的に並んだパターンからの回折光の振幅分布
は、
The amplitude distribution of the diffracted light from the pattern in which the concave portions and the convex portions are periodically arranged at the pitch P as shown in FIG.

【数10】 ψ(u) ={ψA(u) +ψB(u)・exp(πiPu)}×Pir(u) ……(10) Pir(u) = sin(lπPu)/ sin(πPu) ……(11) (lは周期的格子マークMGの繰り返しの数(整数))
となる。(10)式の導出に際し、凹部の中心を回折光の
位相の基準としたが、勿論凸部の中心を基準としてもか
まわない。
## EQU10 ## ψ (u) = {ψA (u) + ψB (u) · exp (πiPu)} × Pir (u) ...... (10) Pir (u) = sin (lπPu) / sin (πPu) ...... (11) (l is the number of repetitions of the periodic lattice mark MG (integer))
Becomes In the derivation of the equation (10), the center of the concave portion was used as the reference of the phase of the diffracted light, but of course the center of the convex portion may be used as the reference.

【0094】上記のPir(u)は、回折格子の「周期
項」と呼ばれるものであり、格子マークMGの繰り返し
数lが大きければ、j次回折光に相当する、u=j/P
(jは整数)でのみ0でない値lをもち、それ以外では
ほとんど0となる。本発明においては格子マークMGか
らの0次回折光とN次回折光のみを使用するので、Pir
(u)を一定値(l)としてよい。また、(10)式中の
exp(πiPu)は、0次回折光(u=0)においては
1となり、±N次回折光(u=±N/P)においては
(−1)N となる。これより、図7に示す如き格子マー
クMGから発生する0次及びN次回折光、ψ0 、ψN
は、それぞれ、
The above Pir (u) is called the "periodic term" of the diffraction grating, and if the repetition number l of the grating mark MG is large, it corresponds to the j-th order diffracted light, u = j / P.
(J is an integer) has a non-zero value l, and is almost 0 otherwise. In the present invention, only the 0th-order diffracted light and the Nth-order diffracted light from the grating mark MG are used.
(U) may be a constant value (l). Also, in equation (10)
exp (πiPu) becomes 1 in the 0th-order diffracted light (u = 0) and becomes (−1) N in the ± Nth-order diffracted light (u = ± N / P). From this, the 0th and Nth order diffracted lights generated from the grating mark MG as shown in FIG.
Are

【数11】 ψ0 =a・φa +b・φb ………(12) ψN =a'・φa +(−1)N・b'・φb ………(13) a' =P・sin(Nπa/P)/π ………(14) b' =P・sin(Nπb/P)/π ………(15) となる。[Equation 11] ψ 0 = a · φa + b · φb ………… (12) ψN = a ′ · φa + (− 1) N · b ′ · φb ………… (13) a ′ = P · sin (Nπa / P) / π ... (14) b ′ = P · sin (Nπb / P) / π (15)

【0095】このように、回折光振幅ψ0 、ψN が、振
幅反射率φa 、φb から導出される過程を、複素数の極
座標で表示したものが図8である。なお、図8中では、
簡略化のためにφa を実数(Real軸上)としているが、
φa 、φb 間の位相差(4πh/λ=ωとする)が不変
であれば、φa を複素数としても導かれる結果は変わら
ない。また図8では、簡略化のためにN=1の場合のみ
が図示されているが、以下の議論は2以上のNについて
も同様に成り立つものである。
FIG. 8 shows the process in which the diffracted light amplitudes ψ 0 and ψ N are derived from the amplitude reflectances φa and φb as described above in polar coordinates of complex numbers. In addition, in FIG.
Although φa is a real number (on the Real axis) for simplification,
If the phase difference between φa and φb (4πh / λ = ω) is invariant, the result derived even if φa is a complex number does not change. Further, in FIG. 8, only the case of N = 1 is illustrated for simplification, but the following discussion is similarly applicable to N of 2 or more.

【0096】図8(1)は、振幅反射率φa 、φb よ
り、0次回折光振幅ψ0 が決定されることを表し、図8
(2)は、振幅反射率φa 、φb より、1次回折光振幅
ψ1 が決定されることを表す。前述の如く振幅反射率φ
a と振幅反射率φb の間の位相差はωであるとしてい
る。図8(3)は、同図(1)、(2)より得られたψ
0,ψ1 を同一の極座標上に書き表したものであり、図中
のψ0 とψ1 の位相差(0次回折光と1次回折光の位相
差)Δは、図4ないし図6の合成光束An 、Bn の光量
信号IAn 、IBn の「位相差」(すなわちΔBn−Δ
An)の半分の量に等しい。すなわち、光量信号IAn
、IBn から測定できる量である。もちろん、これは
N=1の場合のみに限ったことではなく、任意のN(ψ
N )で正しい。
FIG. 8A shows that the 0th-order diffracted light amplitude ψ 0 is determined from the amplitude reflectances φa and φb.
(2) indicates that the first-order diffracted light amplitude ψ1 is determined from the amplitude reflectances φa and φb. As mentioned above, amplitude reflectance φ
The phase difference between a and the amplitude reflectance φb is ω. FIG. 8 (3) shows the ψ obtained from (1) and (2) in FIG.
0, ψ1 are represented on the same polar coordinate, and the phase difference Δ between ψ0 and ψ1 (the phase difference between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light) Δ in the figure is the combined luminous flux An, Bn of FIGS. "Phase difference" between the light intensity signals IAn and IBn (i.e., .DELTA.Bn-.DELTA.
An) equal to half the amount. That is, the light quantity signal IAn
, IBn can be measured. Of course, this is not limited to the case of N = 1, but any N (ψ
N) correct.

【0097】また、ψN とψ0 の大きさの比(|ψN
|:|ψ0 |)についても上記の合成光束の光量信号I
An ,IBn から測定することが可能である。両信号I
An 、IBn の最大値AMAXn、BMAXnは、ψ0 とψN が
同位相で振幅加算された状態での強度であり、最小値A
MINn、BMINnは、ψ0 とψN が逆位相で振幅加算された
状態での強度であるから、
Further, the ratio of the magnitudes of ψN and ψ0 (| ψN
│: │ψ 0 │), the light quantity signal I
It is possible to measure from An and IBn. Both signals I
The maximum values AMAXn and BMAXn of An and IBn are the intensities in the state where ψ0 and ψN are amplitude-added in the same phase, and the minimum value A
MINn and BMINn are intensities in the case where ψ 0 and ψ N are amplitude-added in opposite phases,

【数12】 AMAXn≒BMAXn≒(|ψ0 |+|ψN |)2 ………(16) AMINn≒BMINn≒(|ψ0 |−|ψN |)2 ………(17) となる。また、両信号のコントラストγは、## EQU12 ## AMAXn≈BMAXn≈ (| ψ0 | + | ψN |) 2 (16) AMINn≈BMINn≈ (| ψ0 |-| ψN |) 2 (17) The contrast γ of both signals is

【数13】 γ=(AMAXn−AMINn)/(AMAXn+AMINn) =2・|ψ0 |・|ψN |/(|ψ0 |2 +|ψN |2 )……(18) であるから、コントラストγを計測すれば、(18)式よ
り、
[Mathematical formula-see original document] γ = (AMAXn-AMINn) / (AMAXn + AMINn) = 2 · | ψ0 | ・ | ψN | / (│ψ0 │ 2 + | ψN │ 2 ) ... (18) Therefore, the contrast γ is measured. Then, from equation (18),

【数14】 |ψN |=β・|ψ0 | ………(19) β={1±√(1−γ2 )}/γ ………(20) となって、比βが求まる。式(20)中の±は、一義的に
は決定できないが、一般にN次回折光の強度は0次回折
光よりも弱いので、−(マイナス)の方を採用する。そ
して、これによりψN を、
[Equation 14] | ψN | = β · | ψ0 | ... (19) β = {1 ± √ (1-γ 2 )} / γ (20) and the ratio β is obtained. Although ± in the formula (20) cannot be uniquely determined, since the intensity of the Nth-order diffracted light is generally weaker than that of the 0th-order diffracted light, − (minus) is used. And this gives ψ N

【数15】 ψN =β・ψ0 ・exp(iΔ) ………(21) と表すことが可能となる。[Expression 15] ψN = β · ψ0 · exp (iΔ) It becomes possible to express as (21).

【0098】以上のΔ及びβが求まると、上記の、振幅
反射率から回折光振幅を導出した過程を逆にたどり、回
折光振幅ψ0 、ψN から、周期的段差パターンの振幅反
射率φa 、φb を求めることができる。具体的には、既
知となったパラメータをもとに、式(12)、(13)から
なる連立方程式を解けばよい。
When the above Δ and β are obtained, the above process of deriving the diffracted light amplitude from the amplitude reflectance is followed in reverse, and from the diffracted light amplitudes ψ 0 and ψ N, the amplitude reflectances φa and φb of the periodic step pattern are obtained. Can be asked. Specifically, the simultaneous equations of equations (12) and (13) may be solved based on the known parameters.

【0099】一般に半導体集積回路の加工において、パ
ターン線幅の制御性は優れている。従って、格子マーク
MGの凹部、凸部の幅a、bは、ほぼ設計値通りとなっ
ており、即ち既知である。そして、凹部、凸部の幅a、
bより算出されるa',b' も同じく既知である。このた
め、式(12)、(13)からなる連立方程式中で、未知の
変数(計測されていない変数)はφa 、φb のみであ
り、従って連立方程式をφa 、φb について解くことが
できる。その結果、
Generally, in the processing of a semiconductor integrated circuit, the controllability of the pattern line width is excellent. Therefore, the widths a and b of the concave and convex portions of the lattice mark MG are almost as designed, that is, they are known. Then, the width a of the concave portion and the convex portion,
Similarly, a ′ and b ′ calculated from b are also known. Therefore, in the simultaneous equations of equations (12) and (13), only unknown variables (variables that have not been measured) are φa and φb, and therefore the simultaneous equations can be solved for φa and φb. as a result,

【数16】 φa ={b'・ψ0 −(−1)N・b・ψN } /C ………(22) φb =(a'・ψ0 −a・ψN )/C ………(23) (C=a・b' −(−1)N・a'・b)を得る。(ψN
には、式(21)が代入される。) 式(22)、(23)中で、ψ0 の位相は既知ではないが、
最終結果としてφa とφb の位相差(=ω)が分かれば
良いので、ψ0 の位相(Real軸とのなす角)は任意の値
であって構わない。
Equation 16] φa = {b '· ψ0 - (- 1) N · b · ψN} / C ......... (22) φb = (a' · ψ0 -a · ψN) / C ......... (23) (C = a * b '-(-1) N * a' * b) is obtained. (ΨN
Equation (21) is substituted into. ) In equations (22) and (23), the phase of ψ 0 is not known, but
Since the final result is that the phase difference (= ω) between φa and φb is known, the phase of φ0 (angle formed with the Real axis) may be any value.

【0100】以上により、式(22)、(23)から、φa
、φb の値(複素数)が求まる。そして、φa 、φbの
実数部、虚数部から両者それぞれの位相(ωa、ωb)が
求まる。即ち、
From the above, from equations (22) and (23), φa
, Φb value (complex number) is obtained. Then, the respective phases (ωa, ωb) of both are obtained from the real and imaginary parts of φa and φb. That is,

【数17】 ωa = tan-1{Im(φa)/Re(φa)} ………(24) ωb = tan-1{Im(φb)/Re(φb)} ………(25) である。そして、両者の差ωb −ωa =ωとして、φa
、φb の位相差ωが求まる。位相差ωは、その絶対値
として最大で4π[rad] までの値をとり得るが、三角関
数(tan-1 )の周期性から、ωの値が2πを越える場
合、ω−2πをωとし、ωの値が負であるときには、ω
が正になるまで2πを加えたものをωとする。
Ωa = tan -1 {Im (φa) / Re (φa)} ……… (24) ωb = tan −1 {Im (φb) / Re (φb)} ……… (25) . Then, if the difference between them is ωb−ωa = ω, then φa
, Φb phase difference ω is obtained. The phase difference ω can take a value up to 4π [rad] as an absolute value, but due to the periodicity of the trigonometric function (tan -1 ), when the value of ω exceeds 2π, ω-2π is ω. , Ω is negative, then ω
Let ω be 2π added until becomes positive.

【0101】この位相差ωは、前述の如く段差hの往復
光路差(位相差)に相当するものであり、
This phase difference ω corresponds to the round-trip optical path difference (phase difference) of the step h as described above,

【数18】ω=4πh/λ、すなわち、 h=ω・λ/(4π) ………(26) の関係より、最終的に段差hを求めることができる。但
し、ここでの段差hは、上記のωの決定方法より、0か
らλ/2の範囲となる。すなわち、真の段差に対して、
検出光束の半波長で剰余をとったもの(以下、「h’」
とする)となる。
[Equation 18] ω = 4πh / λ, that is, h = ω · λ / (4π) ... (26) The final step h can be obtained from the relationship. However, the step h here is in the range of 0 to λ / 2 according to the above method of determining ω. That is, for a true step,
The remainder of the detected light flux at half wavelength (hereinafter referred to as "h '"
).

【0102】なお、以上の説明は図7の如くレジストに
覆われていないマークに対するものであったが、レジス
トやガラス(PSG)等の透明膜に覆われたマークにつ
いても上記論理はほとんどそのまま適用できる。ただ
し、上記論理中で振幅反射率φa 、φb は、透明膜とマ
ーク表面との多重干渉を考慮したものとし、(26)式中
の波長λは、透明膜中の波長(空気中の波長を透明膜の
屈折率で割った値)であるとすれば良い。
Although the above description is for the mark not covered with the resist as shown in FIG. 7, the above logic is almost applied to the mark covered with the transparent film such as resist or glass (PSG). it can. However, in the above logic, the amplitude reflectances φa and φb take into consideration the multiple interference between the transparent film and the mark surface, and the wavelength λ in Eq. (26) is the wavelength in the transparent film (the wavelength in the air is The value obtained by dividing by the refractive index of the transparent film).

【0103】本実施例においては、以上の原理により、
格子マークMGの段差量を計測する。すなわち、図3中
の各位相差検出回路SA1 、SA2 、SA3 は、まず前
述の位置検出時に求めた各光量信号光量信号IAn 、I
Bn の基準信号Imsとの位相差ΔAn 、ΔBn の差の半
分の量Δを算出する。次に、各位相差検出回路SA1、
SA2 、SA3 では内部の不図示のピークホールド回路
及びボトムホールド回路により、両信号の最大値AMAX
n、BMAXn、及び最小値AMINn、BMINnを検出し、これ
よりそれぞれの信号のコントラストγを算出する。な
お、両信号のコントラストは段差パターンによほどの非
対称性がない限り等しいが、もし異なる場合はその平均
値を採用する。
In this embodiment, according to the above principle,
The step amount of the lattice mark MG is measured. That is, each of the phase difference detection circuits SA1, SA2, SA3 in FIG. 3 first has the respective light quantity signals, light quantity signals IAn, IAn obtained at the time of position detection.
A half amount Δ of the difference between the phase difference ΔAn and ΔBn between Bn and the reference signal Ims is calculated. Next, each phase difference detection circuit SA1,
In SA2 and SA3, the maximum value AMAX of both signals is set by the internal peak hold circuit and bottom hold circuit (not shown).
n, BMAXn, and minimum values AMINn, BMINn are detected, and the contrast γ of each signal is calculated from this. The contrast of both signals is the same unless there is asymmetry due to the step pattern, but if they are different, the average value is adopted.

【0104】各位相差検出回路SAn は、さらにコント
ラストγと式(20)からψN とψ0の大きさの比βを求
め、このβと上記位相差Δと式(21)からψN とψ0 の
正確な(複素数としての)関係を求める。
Each phase difference detection circuit SAn further obtains the ratio β of the magnitudes of ψ N and ψ 0 from the contrast γ and the formula (20), and the β and the phase difference Δ and the formula (21) from ψ N and ψ 0 Find the relationship (as a complex number).

【0105】そして、各位相差検出回路SAn は、例え
ばコンソール(不示図)からオペレーターが入力する等
の手段により与えられた、格子マークMGの凹部、凸部
の各幅a、b及び周期Pの値と式(14)、(15)とを用
いてa'、b' の値を算出し、これを式(22)、(23)
に代入し、φa 、φb の値(複素数)を算出する。そし
て、さらに式(24)、(25)より、φa 、φb のそれぞ
れの位相ωa 、ωb を求め、その差ωを前述の如く算出
する。
Each phase difference detection circuit SAn has the widths a and b of the concave and convex portions of the lattice mark MG and the period P, which are given by means of an operator's input from a console (not shown), for example. The values a'and b'are calculated using the values and the equations (14) and (15), and these are calculated using the equations (22) and (23).
To calculate the values (complex numbers) of φa and φb. Then, the phases ωa and ωb of φa and φb are calculated from the equations (24) and (25), and the difference ω is calculated as described above.

【0106】この位相差ωより、前述の如く(26)式か
ら、段差h’を求めることももちろん可能である。しか
し、平均化回路SSにおいては、各検出位置補正回路C
Anによる各波長毎の検出位置ΔXn'の加重平均のウェイ
トを、段差量そのものではなく、段差量の各検出波長に
対する位相量に基づいて決定するので、各位相差検出回
路SAn からの出力値は、段差h’よりも、その位相量
である方が好ましい。その位相量δとは、段差h’の往
復の位相量ωの半分(δ=ω/2)である。この位相量
δも真の位相量に対して、検出光の半波長相当の位相差
(π)で剰余をとったものとなる。
From the phase difference ω, it is of course possible to obtain the step h ′ from the equation (26) as described above. However, in the averaging circuit SS, each detection position correction circuit C
Since the weighted average weight of the detection position ΔXn ′ for each wavelength by An is determined based on the phase amount of each step difference amount with respect to each detection wavelength, the output value from each phase difference detection circuit SAn is The phase amount is more preferable than the step h ′. The phase amount δ is half (δ = ω / 2) of the round-trip phase amount ω of the step h ′. This phase amount δ is also the remainder with respect to the true phase amount with a phase difference (π) corresponding to a half wavelength of the detection light.

【0107】もちろん、平均化回路SSにおいて、上記
加重平均のウェイトを段差量そのものに基づいて決定し
てもよく、その場合には各位相差検出回路SAn の出力
値を、段差h’とすればよい。しかし、(26)式から求
まる段差h’は、格子マークMGがレジスト等で覆われ
ていると、レジスト等の屈折率(格子マーク近傍での屈
折率)の影響を受けるが、δ=ω/2の関係は、レジス
トの屈折率の影響を受けないので、上記加重平均のウェ
イト付けは、位相量δに基づいて行なった方がよい。
Of course, in the averaging circuit SS, the weighted average weight may be determined based on the step amount itself. In that case, the output value of each phase difference detection circuit SAn may be the step h '. . However, when the grating mark MG is covered with a resist or the like, the step h ′ obtained from the equation (26) is affected by the refractive index of the resist or the like (refractive index near the grating mark), but δ = ω / Since the relationship of 2 is not affected by the refractive index of the resist, it is better to perform the weighted average weighting based on the phase amount δ.

【0108】ただし(26)式による段差h’の算出時
に、波長λとして真空中の波長を使用するなら、h’は
段差量としては正確な値ではないが、位相量δと同じく
レジストの屈折率の影響を受けなくなる。この時平均化
回路SSは、各波長λn による検出段差量h’の値が、
λn /4に近ければ大きなウェイトを、λn /4から離
れていれば、小さなウェイトを付けて各波長λn による
検出位置を平均(加重平均)する。
However, if the wavelength in vacuum is used as the wavelength λ when calculating the step h ′ by the equation (26), h ′ is not an accurate value as the step amount, but the same as the phase amount δ. Not affected by the rate. At this time, in the averaging circuit SS, the value of the detected step amount h ′ for each wavelength λn is
If the distance is close to λn / 4, a large weight is given, and if it is far from λn / 4, a small weight is given to average (weighted average) the detection positions by the respective wavelengths λn.

【0109】なお、上記の段差検出において、格子マー
クMGの例として、図7に示されるような凹部と凸部の
境界(側壁)が垂直なマークを例にとって説明したが、
側壁にテーパーのあるようなマークであっても、もちろ
ん高精度な位置検出(段差検出)が可能である。この場
合、入力する凹部、凸部の各幅a,bは、a+b=Pで
はなくなるが、上記と同様これらa,bの値に基づいて
マーク段差を算出すれば良い。
In the above step detection, the lattice mark MG has been described by taking a mark in which the boundary (sidewall) between the concave portion and the convex portion as shown in FIG. 7 is vertical as an example.
Even if the mark has a tapered side wall, it is of course possible to detect the position (step detection) with high accuracy. In this case, the widths a and b of the concave portion and the convex portion to be input are not a + b = P, but the mark step difference may be calculated based on the values of a and b as described above.

【0110】これまでの説明から明かなように、本第1
実施例では、位相差検出回路SAnによって段差検出手
段が構成され、位相差検出回路SAn とこれに対応する
それぞれの検出位置補正回路CAn によって位置検出手
段が構成され、平均化回路SSによって演算手段が構成
されている。
As is clear from the above description, this first
In the embodiment, the phase difference detecting circuit SAn constitutes the step detecting means, the phase difference detecting circuit SAn and the corresponding detection position correcting circuits CAn constitute the position detecting means, and the averaging circuit SS forms the calculating means. It is configured.

【0111】以上詳細に説明したように、本第1実施例
に係る位置検出装置及び位置検出方法によると、干渉式
アライメント方式として「01次検出法」を採用すると
ともに、得られる2つの光量信号(第1、第2の合成光
束An 、Bn の光量信号)に基づいて従来と同様に格子
マークの位置が検出できるのみではなく、その格子マー
クの段差(深さ)、より正確には検出精度に大きな影響
を与える段差相当量をも、段差の入射光ビームの波長
(レジスト中の波長)の半分に対する剰余として算出す
ることができ、これにより、位置検出すべき格子マーク
の段差が、検出光のレジスト中波長の(2m+1)/4
倍という条件に適合するか否か、あるいは、検出光のレ
ジスト中波長が位置検出すべき格子マークの段差の4/
(2m+1)倍という条件に適合するか否かを、容易に
判定することが可能となる。
As described in detail above, according to the position detecting device and the position detecting method of the first embodiment, the "01th detection method" is adopted as the interference type alignment method and the two light quantity signals obtained are used. Not only can the position of the lattice mark be detected based on (the light amount signals of the first and second combined light fluxes An and Bn) as in the conventional case, but also the step (depth) of the lattice mark, more accurately, the detection accuracy. The step-equivalent amount that has a large effect on the step difference can be calculated as a remainder with respect to half the wavelength of the incident light beam (wavelength in the resist) at the step. (2m + 1) / 4 of the wavelength in the resist of
Whether or not it meets the condition of double, or the wavelength in the resist of the detection light is 4 /
It is possible to easily determine whether or not the condition of (2m + 1) times is satisfied.

【0112】このため、検出光束を複数の波長とし、上
記の位置検出と段差相当量(剰余)の算出を各波長毎に
行ない、算出された段差が波長(レジスト中)の1/4
倍に近い波長での検出位置には大きな重みを、1/4倍
から離れた波長での検出位置には小さな重みをつけて検
出位置を加重平均することにより、多波長化による平均
化効果を最大限に発揮して非対称な格子マークに対して
も極めて高精度な位置検出を行なうことができる。
Therefore, the detected light flux is set to a plurality of wavelengths, and the position detection and the step equivalent amount (remainder) are performed for each wavelength, and the calculated step is ¼ of the wavelength (in the resist).
By weighting the detection positions with a large weight for the detection positions at wavelengths close to twice and a small weight for the detection positions at wavelengths apart from ¼ times, the averaging effect of multiple wavelengths can be obtained. It is possible to perform the position detection with extremely high accuracy even if the lattice mark is maximized and asymmetric.

【0113】なお、上記第1実施例では、複数の波長の
光束を同時に格子マークに照射して位置検出を行なう場
合について例示したが、本発明がこれに限定されるもの
ではなく、例えば、格子マークMGに対し、複数波長の
光束を波長毎に時間的に別々に照射することで、それぞ
れの波長の成分のビームAn 、Bn も時間的に別々に受
光するようにしても良い。この場合、第1、第2の合成
光束を受光するディテクタを、各波長毎に別々に設ける
必要がなく、また、受光部でのダイクロイックミラー1
6、18も省略することができ、また、位相差検出回路
SAを1つだけとし、それに時分割で各波長の光量信号
を入力することで、複数波長の信号を処理することも可
能になり、受光光学系や信号処理系を簡素化することが
でき、装置構成を著しく簡略化することができるという
利点がある。
In the first embodiment described above, the case where the light beams having a plurality of wavelengths are simultaneously applied to the grating mark to detect the position is described. However, the present invention is not limited to this. By irradiating the mark MG with light fluxes of a plurality of wavelengths separately for each wavelength, the beams An and Bn of the components of the respective wavelengths may be received separately for each time. In this case, it is not necessary to separately provide a detector for receiving the first and second combined light fluxes for each wavelength, and the dichroic mirror 1 in the light receiving unit is not necessary.
It is also possible to omit 6 and 18, and it is also possible to process signals of a plurality of wavelengths by providing only one phase difference detection circuit SA and inputting light quantity signals of respective wavelengths to it in a time division manner. The advantage is that the light receiving optical system and the signal processing system can be simplified, and the device configuration can be significantly simplified.

【0114】但し、この場合には、基準信号Imsの受光
部から波長選択フィルタ12を取り除き、基準格子SG
に全ての波長の光束を入射させる必要がある。なぜなら
ば、上記の如く、特定の1波長の光束のみの入射では、
その波長が照射されない時に(別の波長による検出時
に)、基準信号Imsを得ることができないためである。
しかし、この場合、基準格子SG上での各波長の干渉縞
の位置を厳密に一致させる必要はなく、前述のベースラ
インチェックにおいて、補正量ΔFXn を各波長λn に
ついて求め、前述の補正を行なえば良い。なお、各光束
を時分割で照射するためには、各光源に短時間でのon-o
ffが容易な半導体レーザーを用いることが望ましい。
However, in this case, the wavelength selection filter 12 is removed from the light receiving portion for the reference signal Ims, and the reference grating SG
It is necessary to make light beams of all wavelengths incident on. This is because, as described above, when only a specific one-wavelength light beam is incident,
This is because the reference signal Ims cannot be obtained when the wavelength is not irradiated (when the wavelength is detected by another wavelength).
However, in this case, it is not necessary to exactly match the positions of the interference fringes of each wavelength on the reference grating SG, and the correction amount ΔFXn is obtained for each wavelength λn in the above-mentioned baseline check, and the above-mentioned correction is performed. good. In addition, in order to irradiate each light flux in a time-division manner, each light source should be on-o in a short time.
It is desirable to use a semiconductor laser that is easy to ff.

【0115】一方、上記第1実施例のように複数波長の
光束を同時に照射し、波長毎に分離して受光する方式で
は、各波長についての検出を同時に行なえるため、計測
時間が短くて済むというメリットがある。
On the other hand, in the method of irradiating light fluxes of a plurality of wavelengths at the same time as in the above-described first embodiment, and receiving light separately for each wavelength, the detection for each wavelength can be performed at the same time, so the measurement time can be shortened. There is an advantage.

【0116】また、上記第1実施例では、段差検出にお
いて、ψN とψ0 の大きさの比の算出は、光量信号IA
n ,IBn のコントラストから算出するものとした
が、本発明がこれに限定されるものではなく、例えば、
N次回折光と0次回折光の光量比自体を測定し、その平
方根を用いてもよい。
In the first embodiment, in the step detection, the ratio of the magnitudes of ψN and ψ0 is calculated by the light amount signal IA.
The calculation is made from the contrast of n and IBn, but the present invention is not limited to this.
It is also possible to measure the light amount ratio itself of the Nth-order diffracted light and the 0th-order diffracted light and use the square root thereof.

【0117】N次回折光と0次回折光の光量比の検出方
法としては、例えば、図1中の光束選択部材6の近傍
に、送光ビーム±LFの少なくともどちらか一方を遮光
可能なシャッタを設け、上述の位置検出の終了後、また
は開始前にこのシャッタにより±LFのどちらか一方を
遮光し、このときにディテクタ17a、17b、19
a、19b、20a、20bより得られる光量信号IA
n ,IBn の各強度比を求めればよい。このようにした
場合には、格子マークMGに入射するビームは、各波長
につき一本であるから、それぞれの光量信号IAn 、I
Bn にはビートはなく、DC信号となっている。そし
て、前記シャッタにより例えば送光ビーム−LFを遮光
した場合、ディテクタ17a、19a、20aには、送
光ビーム+LFの格子マークMGによる0次回折光のみ
が入射し、光量信号IAn は各波長での0次回折光の光
量を示し、ディテクタ17b、19b、20bには、送
光ビーム+LFの格子マークMGによる1次回折光のみ
が入射し、光量信号IBn は各波長でのN次回折光の光
量を示すことになる。
As a method of detecting the light quantity ratio of the Nth-order diffracted light and the 0th-order diffracted light, for example, a shutter capable of blocking at least one of the light-transmitting beams ± LF is provided near the light flux selecting member 6 in FIG. After the above-described position detection is completed or before the start of the position detection, either one of ± LF is shielded by this shutter, and at this time, the detectors 17a, 17b, 19
a, 19b, 20a, 20b light intensity signal IA
Each intensity ratio of n and IBn may be obtained. In this case, since the number of beams incident on the grating mark MG is one for each wavelength, the respective light quantity signals IAn, In are obtained.
Bn has no beat and is a DC signal. When, for example, the transmitted light beam −LF is shielded by the shutter, only the 0th-order diffracted light by the grating mark MG of the transmitted light beam + LF is incident on the detectors 17a, 19a, and 20a, and the light amount signal IAn is at each wavelength. The light quantity of the 0th-order diffracted light is shown, and only the 1st-order diffracted light by the grating mark MG of the transmitted beam + LF is incident on the detectors 17b, 19b, 20b, and the light quantity signal IBn indicates the light quantity of the N-th order diffracted light at each wavelength. become.

【0118】従って、このように0次回折光とN次回折
光の光量を直接計測する方式では、(20)式の符号の決
定に関する不確定さが残る前述のコントラストからの算
出法に比べ、ψN とψ0 の大きさの比をより正確に測定
することができる。
Therefore, in the method of directly measuring the light quantities of the 0th-order diffracted light and the Nth-order diffracted light as described above, as compared with the above-described calculation method from contrast in which the uncertainty regarding the determination of the sign of the expression (20) remains, The magnitude ratio of ψ 0 can be measured more accurately.

【0119】なお、上記実施例では、説明を簡略化する
ために、周波数シフターとして回転ラジアル格子板RR
Gを用いる場合を例示したが、本発明がこれに限定され
るものではなく、周波数シフターとして2つの音響光学
変調器(AOM)を用いたり、中心波長λ1 で発振する
第1のゼーマンレーザ光源と中心波長λ2 で発振する第
2のゼーマンレーザ光源とを光源として用いてもよい。
また、各種ダイクロイックミラーはプリズム等の分散素
子に置き換えてもよい。
In the above embodiment, in order to simplify the explanation, the rotating radial grating plate RR is used as the frequency shifter.
Although the case where G is used is illustrated, the present invention is not limited to this, and two acousto-optic modulators (AOMs) are used as frequency shifters, and a first Zeeman laser light source that oscillates at a central wavelength λ1 is used. A second Zeeman laser light source that oscillates at the central wavelength λ2 may be used as the light source.
Further, various dichroic mirrors may be replaced with a dispersing element such as a prism.

【0120】また、上記実施例では、3つの波長の検出
光を用いる場合を例示したが、3波長に限らず任意の複
数波長の検出光を用いてもよい。そして、波長の数をよ
り増やす場合には、図1中のダイクロイックミラー2、
3及びダイクロイックミラー16、18の数を増やすと
ともにディテクタの数を増やすことにより容易に対応で
きる。
Further, in the above embodiment, the case where the detection lights of three wavelengths are used is illustrated, but the detection lights of arbitrary plural wavelengths are not limited to three wavelengths and may be used. When the number of wavelengths is further increased, the dichroic mirror 2 in FIG.
3 and the number of dichroic mirrors 16 and 18 and the number of detectors can be increased to easily cope with the problem.

【0121】なお、上記第1実施例では、位置検出用入
射ビーム±LFのそれぞれで周波数を異ならせるヘテロ
ダイン方式を採用した場合、換言すれば、格子マークと
干渉縞とを周期方向に相対走査する相対走査手段を、波
長の異なる複数組の可干渉な光ビームの対うちの、第1
の光ビームの周波数と第2の光ビームの周波数とを僅か
に異ならせ、これにより形成される干渉縞を格子マーク
上で周期方向に等速度で移動させる手段(回転ラジアル
格子板)により構成した場合を例示したが、本発明がこ
れに限定されるものではない。例えば、入射ビーム±L
Fの周波数を等しくし(ホモダイン方式)、代わりに位
置検出時にウエハステージWSTを検出方向に走査させ
る方式を採用し、このウエハステージWSTにより格子
マークと干渉縞とを周期方向に相対走査する相対走査手
段を構成しても良い。この場合にも、各信号はウエハス
テージWSTの走査スピードに比例した等しいビート周
波数を持つ正弦波となり、上記と同様の検出が行なえ
る。かかるホモダイン方式では、周波数シフター(回転
ラジアル格子板RRG等)が不要で、送光光学系が簡素
化されるというメリットがある。
In the first embodiment, when the heterodyne system in which the frequencies for the position detecting incident beams ± LF are made different is adopted, in other words, the grating mark and the interference fringe are relatively scanned in the periodic direction. The relative scanning means is a first of a pair of coherent light beams having different wavelengths.
The frequency of the second light beam is slightly different from the frequency of the second light beam, and the interference fringes formed thereby are moved by a constant velocity in the periodic direction on the grating mark (rotary radial grating plate). Although the case has been illustrated, the present invention is not limited to this. For example, incident beam ± L
Relative scanning in which the frequency of F is made equal (homodyne system) and the wafer stage WST is scanned in the detection direction at the time of position detection, and the grating mark and the interference fringes are relatively scanned in the periodic direction by the wafer stage WST. Means may be configured. Also in this case, each signal becomes a sine wave having an equal beat frequency proportional to the scanning speed of wafer stage WST, and the same detection as above can be performed. The homodyne method has an advantage that a frequency shifter (rotating radial grating plate RRG or the like) is not required and the light transmitting optical system is simplified.

【0122】一方、ヘテロダイン方式では、検出中はウ
エハステージWSTを停止させて置けばよく、ヘテロダ
インによる高S/N化の他にも、ウエハステージWST
を等速で走査させるための制御機構が不要であること、
また、検出中に、ウエハステージWST位置をモニタす
るレーザ干渉系22の出力(LFG,LMG)の揺らぎ(主
に空気揺らぎ)を平均化できるというメリットもある。
On the other hand, in the heterodyne method, the wafer stage WST may be stopped and placed during detection. In addition to the high S / N ratio achieved by the heterodyne, the wafer stage WST
Need no control mechanism for scanning at constant speed,
Further, there is also an advantage that fluctuations (mainly air fluctuations) of outputs (LFG, LMG) of the laser interference system 22 that monitors the wafer stage WST position can be averaged during the detection.

【0123】《第2実施例》次に、本発明の第2実施例
を図11に基づいて説明する。この第2実施例は、前述
した第1実施例の位置検出装置が、いわゆるオフアクシ
スアライメント検出系OFAとして採用された露光装置
についてのものである。
<< Second Embodiment >> Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment relates to an exposure apparatus in which the position detection apparatus of the first embodiment described above is adopted as a so-called off-axis alignment detection system OFA.

【0124】この第2実施例に係る露光装置は、投影光
学系PLの光軸AXにほぼ直交する水平面内にレチクル
Rを保持するレチクルステージRSTと、投影光学系P
Lに関してレチクルRと共役な面に前記ウエハWを保持
するウエハステージWSTとを備えている。従って、レ
チクルRとウエハW上の各ショット領域とが後述するよ
うにアラインメントされた状態で光源を含む照明系IO
Pからの照明光によりレチクルRが照明されると、その
レチクルRのパターン面に形成された回路パターンが投
影光学系PLを介して所定の縮小倍率(例えば1/4)
でウエハW上のショット領域に転写される。
The exposure apparatus according to the second embodiment includes a reticle stage RST that holds a reticle R in a horizontal plane substantially orthogonal to the optical axis AX of the projection optical system PL, and a projection optical system P.
A wafer stage WST that holds the wafer W on a surface conjugate with the reticle R with respect to L is provided. Therefore, the illumination system IO including the light source in a state where the reticle R and each shot area on the wafer W are aligned as described later.
When the reticle R is illuminated with the illumination light from P, the circuit pattern formed on the pattern surface of the reticle R is projected through the projection optical system PL at a predetermined reduction ratio (for example, 1/4).
Is transferred to the shot area on the wafer W.

【0125】また、この露光装置では、前述した第1実
施例の位置検出装置100から成るオフアクシスアライ
メント検出系OFAが設けられている。このオフアクシ
スアライメント検出系OFAは投影光学系PLの光軸A
Xから所定距離隔てた当該光軸AXに平行な面内で検出
ビームをウエハWに照射する。
Further, in this exposure apparatus, the off-axis alignment detection system OFA including the position detection apparatus 100 of the first embodiment described above is provided. This off-axis alignment detection system OFA is an optical axis A of the projection optical system PL.
The wafer W is irradiated with the detection beam in a plane parallel to the optical axis AX, which is separated from X by a predetermined distance.

【0126】ここで、レチクルステージRSTは、不図
示の駆動系によりXY2次元方向の微小移動と、光軸A
X回りの微小回転が可能に構成されており、また、ウエ
ハステージWSTとしては第1実施例と同様に2次元移
動可能なものが用いられている。また、このウエハステ
ージWSTの位置座標はレーザ干渉計22(図11では
図示せず、図1参照)により計測されるようになってい
る。
Here, the reticle stage RST is slightly moved in the XY two-dimensional directions by the drive system (not shown) and the optical axis A.
The wafer stage WST is configured to be capable of minute rotation around X, and the wafer stage WST is two-dimensionally movable as in the first embodiment. The position coordinates of the wafer stage WST are measured by a laser interferometer 22 (not shown in FIG. 11, see FIG. 1).

【0127】また、このウエハステージWST上に不図
示のθステージ及びウエハホルダを介してウエハWが載
置されている。
Further, the wafer W is placed on the wafer stage WST via a not-shown θ stage and a wafer holder.

【0128】この露光装置では、いわゆるベースライン
計測が不可欠であり、このベースライン計測の後、ウエ
ハW上の複数のショット領域の中の特定の数箇所、例え
ば10箇所のショット領域にそれぞれ付設された格子マ
ークから成るアライメントマークの位置を検出し、これ
らの検出位置のデータとマークの設計値のデータとから
いわゆる最小2乗法を用いて、マーク位置のXY2次元
方向の位置ずれ、ウエハの回転、ウエハの伸縮量等を演
算し、この演算結果と各ショット領域の設計データとを
用いてショット領域の配列座標を演算し、メモリに格納
して置く。
In this exposure apparatus, so-called baseline measurement is indispensable, and after this baseline measurement, a plurality of shot areas on the wafer W are provided at specific spots, for example, 10 shot areas. The position of the alignment mark composed of the lattice mark is detected, and the so-called least squares method is used from the data of these detected positions and the data of the design value of the mark to shift the position of the mark in the XY two-dimensional directions, rotate the wafer, The amount of expansion and contraction of the wafer is calculated, and the array coordinates of the shot areas are calculated using this calculation result and the design data of each shot area and stored in the memory.

【0129】そして、実際の露光の際には、ステップ・
アンド・リピート方式でステッピングと露光を繰り返
す。このステッピングの際に、各ショットが露光位置
(投影光学系PLの露光フィールド内)へ位置決めされ
る。この際に、メモリに格納されたショット配列座標に
基づいてウエハステージWSTの2次元移動が行なわ
れ、各露光ショットがレチクルRとアライメントされ
る。
In the actual exposure, the steps
Repeats stepping and exposure with the And Repeat method. During this stepping, each shot is positioned at the exposure position (within the exposure field of the projection optical system PL). At this time, two-dimensional movement of wafer stage WST is performed based on the shot arrangement coordinates stored in the memory, and each exposure shot is aligned with reticle R.

【0130】ここで、ベースライン量とは、レチクルR
の中心CCr のウエハ側への投影点(ほぼ光軸AX上に
一致している)と、オフアクシスアライメント検出系O
FAの検出中心点Rf4のウエハ側への投影点との間の
X、Y方向の位置関係にほかならない。その位置関係
は、フィデューシャルマーク板FPの対応したマーク
と、検出中心点Rf4の投影点との位置ずれ量をオフアク
シスアライメント検出系OFA自体で検出するととも
に、その時のウエハステージWSTの座標位置をレーザ
干渉計22によって検出することで求めることができ
る。本第2実施例では、このベースライン計測を第1実
施例と同様にして行ない、その後のウエハW上の特定シ
ョットのアライメントマーク位置の検出に、第1実施例
で説明した本発明に係る位置検出方法が使用されるので
ある。
Here, the baseline amount is the reticle R
The projection point of the center CCr of the laser beam on the wafer side (which substantially coincides with the optical axis AX) and the off-axis alignment detection system O
It is nothing but the positional relationship in the X and Y directions between the FA detection center point Rf4 and the projection point on the wafer side. The positional relationship is such that the off-axis alignment detection system OFA itself detects the amount of positional deviation between the corresponding mark on the fiducial mark plate FP and the projection point of the detection center point Rf4, and the coordinate position of the wafer stage WST at that time. Can be found by detecting the laser interferometer 22. In the second embodiment, this baseline measurement is performed in the same manner as in the first embodiment, and the position according to the present invention described in the first embodiment is used to detect the alignment mark position of a specific shot on the wafer W thereafter. The detection method is used.

【0131】従って、この第2実施例によっても、ウエ
ハW上のショット領域に付設された非対称な格子マーク
に対しても極めて高精度な位置検出を行なうことがで
き、この検出結果を用いていわゆる最小2乗法による統
計処理により、ウエハW上のショット領域の配列座標が
演算され、これに基づいてレチクルRとウエハW上の各
ショット領域とのアライメントが行なわれるので、アラ
イメント精度の向上を期待することができる。
Therefore, according to the second embodiment as well, it is possible to detect the position of the asymmetric lattice mark attached to the shot area on the wafer W with extremely high accuracy, and to use the detection result, the so-called Since the array coordinates of the shot areas on the wafer W are calculated by the statistical processing by the least square method, and the alignment between the reticle R and each shot area on the wafer W is performed based on the array coordinates, it is expected that the alignment accuracy is improved. be able to.

【0132】なお、この第2実施例では、オフアクシス
アライメント検出系に第1実施例の位置検出装置が適用
される場合について説明したが、その他のスルーザレン
ズ(TTL)アライメント検出系やスルーザレチクル
(TTR)アライメント検出系にも本発明の位置検出方
法及びその装置は、同様に適用できるものである。
In the second embodiment, the case where the position detecting device of the first embodiment is applied to the off-axis alignment detecting system has been described, but other through-the-lens (TTL) alignment detecting system and through-the-lens The position detection method and apparatus of the present invention can be similarly applied to a reticle (TTR) alignment detection system.

【0133】[0133]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数波長での「干渉式アライメント」において、格子マ
ークの位置のみならず、その段差相当量をも検出するこ
とが可能となる。そして、この段差相当量に応じて重み
付けを行ない、各波長での検出位置を加重平均するた
め、その格子マークの段差量に対して最適な、すなわち
検出誤差の少ない検出波長による検出位置ほど高い重み
を掛けた加重平均が可能となり、単純平均の場合より一
層高精度な格子マークの位置検出が可能になるという従
来にない優れた効果がある。
As described above, according to the present invention,
In the "interferential alignment" with a plurality of wavelengths, it is possible to detect not only the position of the grating mark but also the step equivalent amount thereof. Then, weighting is performed according to the step equivalent amount, and the detection positions at each wavelength are weighted and averaged. It is possible to perform a weighted average by multiplying by, and it is possible to detect the position of the lattice mark with higher accuracy than in the case of the simple average.

【0134】[0134]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1実施例に係る位置検出装置の概略構成を示
す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a position detection device according to a first embodiment.

【図2】回転ラジアル格子板による回折ビームの発生の
様子を示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing how a diffracted beam is generated by a rotating radial grating plate.

【図3】図1の装置を構成する位置検出回路の一例を示
すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing an example of a position detection circuit which constitutes the device of FIG.

【図4】(1)は図1のディテクタ17aの出力である
波長λ1 の光束A1 の光量信号IA1 を示す線図、
(2)はディテクタ17bの出力である光量信号IB1
を示す線図、(3)はディテクタ15の出力である基準
信号Imsを示す線図である。
4 (1) is a diagram showing a light amount signal IA1 of a light flux A1 having a wavelength λ1 which is an output of the detector 17a shown in FIG.
(2) is the light quantity signal IB1 which is the output of the detector 17b
And (3) is a diagram showing the reference signal Ims which is the output of the detector 15.

【図5】(1)は図1のディテクタ19aの出力である
波長λ2 の光束A2 の光量信号IA2 を示す線図、
(2)はディテクタ19bの出力である光量信号IB2
を示す線図、(3)はディテクタ15の出力である基準
信号Imsを示す線図である。
5 (1) is a diagram showing a light quantity signal IA2 of a light flux A2 having a wavelength λ2 which is an output of the detector 19a shown in FIG.
(2) is the light quantity signal IB2 which is the output of the detector 19b
And (3) is a diagram showing the reference signal Ims which is the output of the detector 15.

【図6】(1)は図1のディテクタ20aの出力である
波長λ3 の光束A3 の光量信号IA3 を示す線図、
(2)はディテクタ20bの出力である光量信号IB3
を示す線図、(3)はディテクタ15の出力である基準
信号Imsを示す線図である。
6 (1) is a diagram showing a light quantity signal IA3 of a light flux A3 having a wavelength λ3, which is the output of the detector 20a shown in FIG.
(2) is the light quantity signal IB3 which is the output of the detector 20b
And (3) is a diagram showing the reference signal Ims which is the output of the detector 15.

【図7】格子マークMGの一例を拡大して示す図であ
る。
FIG. 7 is an enlarged view showing an example of a lattice mark MG.

【図8】回折光振幅ψ0 、ψN が振幅反射率φa 、φb
から導出される過程を、複素数の極座標で表示する図で
あって、(1)は振幅反射率φa 、φb より、0次回折
光振幅ψ0 が決定されることを表す図、(2)は振幅反
射率φa 、φb より、1次回折光振幅ψ1 が決定される
ことを表す図、(3)は同図(1)、(2)より得られ
たψ0,ψ1 を同一の極座標上に書き表した図である。
FIG. 8: Diffracted light amplitudes ψ 0 and ψ N are amplitude reflectances φa and φb
FIG. 2 is a diagram showing the process derived from the above in polar coordinates of complex numbers, (1) is a diagram showing that the 0th-order diffracted light amplitude ψ 0 is determined from amplitude reflectances φa and φb, and (2) is amplitude reflection. A diagram showing that the first-order diffracted light amplitude ψ1 is determined from the ratios φa and φb. (3) is a diagram in which ψ0, ψ1 obtained from (1) and (2) of the same figure are written on the same polar coordinates. is there.

【図9】本発明着想の起因となったシミュレーションの
結果の一例を示す図であって、(1)はマーク段差h
が、50、100 、150 、200nm の場合の結果を横軸レジス
ト厚d[μm]、縦軸位置検出誤差[μm]として示す
図、(2)はマーク段差hが、250 、300 、350 、400
nmの場合の結果を(1)と同様に示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an example of a result of a simulation that is a cause of the idea of the present invention, in which (1) is a mark step h.
Where 50, 100, 150 and 200 nm are shown as abscissa resist thickness d [μm] and ordinate position detection error [μm], (2) shows mark step h of 250, 300, 350, 400
It is a figure which shows the result in the case of nm similarly to (1).

【図10】(1)は図9のシミューレーション結果の前
提となる格子マークの断面を示す図、(2)はその1周
期分の拡大図である。
10 (1) is a diagram showing a cross section of a lattice mark which is a premise of the simulation result of FIG. 9, and FIG. 10 (2) is an enlarged diagram of one period thereof.

【図11】第2実施例に係る露光装置の主要部の構成を
示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a main part of an exposure apparatus according to a second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

17a、17b、19a、19b、20a、20b デ
ィテクタ(受光手段) 100 位置検出装置 102 送光光学系 W ウエハ(基板) MG 格子マーク RRG 回転ラジアル格子板(相対走査手段) SAn 位相差検出回路(段差検出手段、位置検出手段
の一部) CAn 検出位置補正回路(位置検出手段の一部) SS 平均化回路(演算手段)
17a, 17b, 19a, 19b, 20a, 20b Detector (light receiving means) 100 Position detecting device 102 Light transmitting optical system W Wafer (substrate) MG Grating mark RRG Rotating radial grating plate (relative scanning means) SAn Phase difference detection circuit (step) Detection means, part of position detection means) CAn Detection position correction circuit (part of position detection means) SS averaging circuit (calculation means)

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 微細パターンの形成された基板上に形成
された、特定の方向に周期性(周期=P)を持って凹部
と凸部を繰り返す格子マークの前記周期方向の位置を検
出する位置検出方法であって、 前記格子マーク上に、可干渉な光ビームの対を波長の異
なる複数組入射し、振幅分布の周期が2P/N(Nは自
然数)でその周期方向が格子マークの周期方向と等しい
干渉縞を形成するとともに、前記干渉縞と前記格子マー
クとを前記周期方向に相対走査する第1工程と;前記格
子マークによる前記入射光ビームの反射・回折光のう
ち、第1の光ビームの正反射光と第2の光ビームのN次
回折光との合成光束である第1の合成光束と、前記第2
の光ビームの正反射光と前記第1の光ビームのN次回折
光との合成光束である第2の合成光束とを、それぞれ、
かつ、前記複数の波長毎に別々に受光する第2工程と;
前記各波長毎の前記第1、第2の合成光束の光量信号の
前記相対走査に伴う変化に基づいて各波長毎に前記格子
マークの位置を検出する第3工程と;前記格子マークの
段差相当量を、前記各波長毎の前記第1、第2の合成光
束の光量信号の前記相対走査に伴う変化及び前記格子マ
ークの設計データに基づいて、前記格子マークの段差を
前記格子マーク表面近傍の媒質中での前記入射光ビーム
の各波長の半分で除した剰余として、各波長毎に算出す
る第4工程と;前記各波長毎に検出した前記格子マーク
の位置を、前記各波長毎に算出した前記段差相当量が、
前記入射光ビームの前記格子マーク表面近傍での各波長
の1/4相当量に近いほど大きな重みを付けて加重平均
し、その加重平均値を前記格子マークの最終的な検出位
置とする第5工程とを含む位置検出方法。
1. A position for detecting the position in the periodic direction of a grid mark formed on a substrate on which a fine pattern is formed and having a periodicity (period = P) in a specific direction and repeating a concave portion and a convex portion. A detection method, wherein a plurality of pairs of coherent light beams having different wavelengths are incident on the grating mark, the period of the amplitude distribution is 2P / N (N is a natural number), and the period direction is the period of the grating mark. A first step of forming interference fringes equal to the direction and relatively scanning the interference fringes and the grating mark in the periodic direction; a first step of reflected / diffracted light of the incident light beam by the grating mark. A first combined light beam which is a combined light beam of the regular reflection light of the light beam and the Nth-order diffracted light of the second light beam;
And a second combined light beam that is a combined light beam of the specularly reflected light of the light beam and the Nth-order diffracted light of the first light beam,
And a second step of separately receiving light for each of the plurality of wavelengths;
A third step of detecting the position of the grating mark for each wavelength based on a change of the light amount signals of the first and second combined light fluxes for each wavelength due to the relative scanning; and a step corresponding to the step of the grating mark Based on the change in the light amount signals of the first and second combined light fluxes for each wavelength associated with the relative scanning and the design data of the lattice mark, the level difference of the lattice mark near the surface of the lattice mark. A fourth step of calculating each wavelength as a remainder divided by half of each wavelength of the incident light beam in the medium; and calculating the position of the grating mark detected for each wavelength for each wavelength. The amount equivalent to the step is
The closer to a quarter amount of each wavelength of the incident light beam near the surface of the grating mark, the more weighted the weighted average is, and the weighted average value is set as the final detection position of the grating mark. A position detecting method including a step.
【請求項2】 前記第1工程において、前記格子マーク
上に、波長の異なる複数組の可干渉な光ビームの対を波
長毎に時分割的に入射し、振幅分布の周期が2P/N
(Nは自然数)でその周期方向が格子マークの周期方向
と等しい干渉縞を各波長毎に形成するとともに、前記各
波長毎の干渉縞と前記格子マークとを前記周期方向にそ
れぞれ相対走査することを特徴とする請求項1に記載の
位置検出方法。
2. In the first step, a plurality of pairs of coherent light beams having different wavelengths are time-divisionally incident on the grating mark for each wavelength, and the period of the amplitude distribution is 2P / N.
(N is a natural number) and an interference fringe whose periodic direction is equal to the periodic direction of the grating mark is formed for each wavelength, and the interference fringes for each wavelength and the grating mark are relatively scanned in the periodic direction. The position detecting method according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記波長毎の前記格子マークの位置検出
は、前記相対走査に伴う前記第1の合成光束と前記第2
の合成光束の各光量信号変化の各位相に基づいてそれぞ
れ求めた検出位置を平均することにより行なうことを特
徴とする請求項1又は2に記載の位置検出方法。
3. The position of the grating mark for each wavelength is detected by the first combined light flux and the second light flux associated with the relative scanning.
3. The position detecting method according to claim 1, wherein the detection position is obtained by averaging the detection positions obtained based on each phase of each change in the light amount signal of the combined light flux.
【請求項4】 前記段差相当量の算出は、前記格子マー
クの前記凹部と凸部の各幅の比率と、前記相対走査に伴
う前記第1の合成光束と前記第2の合成光束の各光量信
号変化の位相差及びコントラストとに基づいて行なうこ
とを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載
の位置検出方法。
4. The calculation of the step equivalent amount is performed by calculating the ratio of the widths of the concave portion and the convex portion of the lattice mark, and the light amounts of the first combined light flux and the second combined light flux associated with the relative scanning. 4. The position detecting method according to claim 1, wherein the position detecting method is performed based on a phase difference of signal changes and a contrast.
【請求項5】 前記格子マークより反射・回折する0次
回折光とN次回折光との光量比を、前記入射光ビームの
前記各波長毎に計測するとともに、 段差相当量の検出は、前記格子マークの前記凹部凸部の
各幅の比率と、前記相対走査に伴う前記第1の合成光束
と前記第2の合成光束の各光量信号変化の位相差と、前
記計測した光量比とに基づいて行なうことを特徴とする
請求項1ないし3のいずれか一項に記載の位置検出方
法。
5. The light quantity ratio between 0th order diffracted light and Nth order diffracted light reflected / diffracted by the grating mark is measured for each wavelength of the incident light beam, and the step equivalent amount is detected by the grating mark. On the basis of the ratio of the widths of the concave and convex portions, the phase difference between the light amount signal changes of the first combined light beam and the second combined light beam due to the relative scanning, and the measured light amount ratio. The position detecting method according to any one of claims 1 to 3, wherein:
【請求項6】 微細パターンの形成された基板上に形成
された特定の方向に周期性(周期=P)を持って凹部と
凸部を繰り返す格子マークの前記周期方向の位置を検出
する位置検出装置であって、 前記格子マーク上に、振幅分布の周期が2P/N(Nは
自然数)でその周期方向が前記格子マークの周期方向に
等しい干渉縞を形成すべく、可干渉な光ビームの対を波
長の異なる複数組入射する送光光学系と;前記格子マー
クによる前記入射光ビームの反射・回折光のうち、第1
の光ビームの正反射光と第2の光ビームのN次回折光と
の合成光束である第1の合成光束と、前記第2の光ビー
ムの正反射光と前記第1の光ビームのN次回折光との合
成光束である第2の合成光束とを、それぞれ、かつ、前
記複数の波長毎に別々に光電変換する受光手段と;前記
格子マークと前記干渉縞とを前記周期方向に相対走査す
る相対走査手段と;前記受光手段より得られる前記各波
長毎の前記第1、第2の合成光束の光量信号の前記相対
走査に伴う変化より各波長毎に前記格子マークの位置を
検出する位置検出手段と;前記格子マークの段差相当量
を、前記受光手段より得られる前記各波長毎の前記第
1、第2の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴う変
化と前記格子マークの設計データとに基づいて、前記格
子マークの段差を前記格子マーク表面近傍の媒質中の前
記入射光ビームの各波長の半分で除した剰余として、各
波長毎に算出する段差検出手段と;前記各波長毎に検出
した前記格子マークの位置を、前記各波長毎に算出した
前記段差相当量が、前記入射光ビームの前記格子マーク
表面近傍での各波長の1/4相当量に近いほど大きな重
みを付けて加重平均し、その平均値を前記格子マークの
最終的な検出位置とする演算手段とを有する位置検出装
置。
6. A position detection for detecting the position in the periodic direction of a grating mark which is formed on a substrate on which a fine pattern is formed and which has periodicity (period = P) in a specific direction and which repeats concave and convex portions. A device for forming a coherent light beam on the grating mark so as to form an interference fringe having a period of amplitude distribution of 2P / N (N is a natural number) whose period direction is equal to that of the grating mark. A light-transmitting optical system in which a plurality of pairs of light beams having different wavelengths are incident;
First combined light beam that is a combined light beam of the specularly reflected light of the second light beam and the N-th order diffracted light of the second light beam, the specularly reflected light of the second light beam, and the Nth time of the first light beam. Light receiving means for photoelectrically converting the second combined light beam, which is a combined light beam with the folded light, separately for each of the plurality of wavelengths; and for relatively scanning the grating mark and the interference fringe in the periodic direction. Relative scanning means; Position detection for detecting the position of the grating mark for each wavelength from the change in the light amount signals of the first and second combined light fluxes for each wavelength obtained by the light receiving means due to the relative scanning. A change in the light quantity signal of the first and second combined light fluxes for each wavelength obtained by the light receiving means, which is caused by the relative scanning, and design data of the grating mark. Based on the Step difference detecting means for calculating for each wavelength as a remainder divided by half of each wavelength of the incident light beam in the medium near the surface of the grating mark; the position of the grating mark detected for each wavelength, The closer the step-equivalent amount calculated for each wavelength is to the quarter-equivalent amount of each wavelength of the incident light beam near the surface of the grating mark, the more weighted the weighted average, the average value is obtained. Position detecting device having a calculating means for determining the final detected position of the.
【請求項7】 前記位置検出手段は、前記相対走査に伴
う前記第1の合成光束と前記第2の合成光束の各光量信
号変化の各位相に基づいてそれぞれ求めた検出位置の平
均値を前記格子マークの位置として検出することを特徴
とする請求項6に記載の位置検出装置。
7. The position detecting means calculates an average value of detection positions obtained based on respective phases of respective light amount signal changes of the first combined light beam and the second combined light beam due to the relative scanning. The position detecting device according to claim 6, wherein the position detecting device detects the position of the lattice mark.
【請求項8】 前記段差検出手段は、前記格子マークの
前記凹部と凸部の各幅の比率と、前記相対走査に伴う前
記第1の合成光束と前記第2の合成光束の各光量信号変
化の位相差及びコントラストとに基づいて前記段差相当
量を算出することを特徴とする請求項6又は7に記載の
位置検出装置。
8. The step detecting means changes the ratio of the widths of the concave portion and the convex portion of the lattice mark, and changes in the light amount signals of the first combined light beam and the second combined light beam due to the relative scanning. 8. The position detecting device according to claim 6, wherein the step equivalent amount is calculated based on the phase difference and the contrast.
【請求項9】 前記格子マークより反射・回折する0次
回折光とN次回折光との光量比を、前記入射光ビームの
前記各波長毎に計測する光量比計測手段を更に有し、 前記段差検出手段は、前記格子マークの前記凹部凸部の
各幅の比率と、前記相対走査に伴う前記第1の合成光束
と前記第2の合成光束との各光量信号変化の位相差と、
前記光量比計測手段により得られた前記光量比とに基づ
いて前記段差相当量を算出することを特徴とする請求項
6又は7に記載の位置検出装置。
9. The apparatus further comprises a light quantity ratio measuring means for measuring a light quantity ratio of 0th-order diffracted light and N-th order diffracted light reflected / diffracted by the grating mark for each wavelength of the incident light beam, and detecting the step. The means includes a ratio of respective widths of the concave and convex portions of the lattice mark, and a phase difference between light amount signal changes of the first combined light flux and the second combined light flux due to the relative scanning,
The position detecting device according to claim 6 or 7, wherein the step equivalent amount is calculated based on the light amount ratio obtained by the light amount ratio measuring means.
【請求項10】 前記相対走査手段は、前記基板を前記
格子マークの周期方向に走査可能なステージであること
を特徴とする請求項6ないし9のいずれか一項に記載の
位置検出装置。
10. The position detecting device according to claim 6, wherein the relative scanning unit is a stage capable of scanning the substrate in the periodic direction of the lattice mark.
【請求項11】 前記相対走査手段は、前記波長の異な
る複数組の可干渉な光ビームの対のうち、第1の光ビー
ムの周波数と第2の光ビームの周波数とを僅かに異なら
せ、これにより形成される前記干渉縞を前記格子マーク
上で周期方向に等速度で移動させる手段であることを特
徴とする請求項6ないし9のいずれか一項に記載の位置
検出装置。
11. The relative scanning means causes a frequency of a first light beam and a frequency of a second light beam to be slightly different from each other among a plurality of pairs of coherent light beams having different wavelengths, 10. The position detecting device according to claim 6, further comprising means for moving the interference fringes formed thereby on the grating mark in a periodic direction at a constant speed.
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